导读：7月7日20时，2020仿真知识周进入汽车专场，我们将分享一个《电池系统结构分析实例解读》。仿真秀专栏作者刘军涛博士将会用一个完整案例结合实际操作，讲述一个电池包结构分析的规划与实施，目标是让每一位学员听课后能够理解电池包结构分析的重点步骤和掌握电池PACK CAE分析的核心技能。

一、PACK为什么需要CAE分析？

PACK是新能源汽车最重要的组成部分，可称之为心脏，电池系统需要满足汽车运营条件下的苛刻力学环境的要求。按照传统研发方式，设计-样包-测试-优化-样包-测试，反复循环，这种传统做法，周期长，成本高。另一个重要问题，即使出现了结构失效，由于影响因素比较多，并不能非常准确的得到结论。

CAE，Computer Aided Engineering，计算机辅助工程，利用计算机对工程中的多个过程进行仿真优化。将产品研发过程升级为：结构设计——CAE仿真验证——设计优化——CAE再验证——3D模型样机。大大缩短了研发周期，且降低了打样费用，已广泛应用于汽车领域的方方面面。

二、PACKCAE结构分析有哪些？

电池PACK结构设计需要的CAE分析包括：结构强度、模态、随机振动、机械冲击、翻转、跌落、模拟碰撞等，涵盖GB/T 31467.3-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分安全性要求与测试方法所有内容，是最重要的结构验证手段。

结构分析图谱

三、基于Workbench的0.7吨pack系统结构分析实例

（一）系统介绍

1、系统信息介绍

额定电压316.8V（242V-360.8V）
容量360Ah，
单体电芯参数：额定3.6V 重量：47g 容量：2.4Ah 内阻范围：19-23.5mΩ;
系统重量：300Kg
使用环境温度：充电，0～45℃；放电，-20～55℃ （计算时选择22℃）

2、系统结构介绍

图一为pack系统壳体框架结构三视图，图二、图三为壳体框架立体图

图1 系统结构图

图2俯视图

图3仰视图

（二）结构分析

1、振动分析

（1）计算目的：计算蓄电池pack系统的框架结构是否链接可靠、结构完好、产生裂缝、断裂等现象。

（2）计算条件

① Z轴PSD值（重力方向）

表1

② y轴PSD值（行驶方向）

表2

③ x轴PSD值（垂直于行驶方向）

表3

（3）结果分析

① 重力方向危险点结果评估

图4 危险点的位置

图5 评估最大应力值选择点

最大应力值为为580.41Mpa ，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。

将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到269.04 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离8mm移动两个单元应力值降到152.82 Mpa，对应屈服安全系数为2.270；疲劳安全系数为2.731 ，满足设计要求。

附件1：危险点安全系数

② 行驶方向

图6 危险点的位置

图7 评估最大应力值选择点

最大应力值为为383Mpa ，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。

将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到216.26 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离8mm移动两个单元应力值降到130.87 Mpa，对应屈服安全系数为2.636；疲劳安全系数为3.172 ，满足设计要求。

附件2：危险点安全系数

③ 垂直行驶方向

图8 危险点的位置

图9 评估最大应力值选择点

最大应力值为为350.79Mpa ，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。

将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到174.17 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离8mm移动两个单元应力值降到105.29 Mpa，对应屈服安全系数为3.277；疲劳安全系数为3.942，满足设计要求。

附件3：危险点安全系数

（三）机械冲击分析

1、计算目的：计算蓄电池pack系统的框架结构是否链接可靠、结构完好、产生裂缝、断裂等现象。

2、计算条件：对测试对象施加25g、15ms的半正弦冲击波，Z轴方向冲击3次，观察2小时。

左边为表4，右边为脉冲曲线图

3、结果分析

图10 危险点的位置

图11 评估最大应力值选择点

最大应力值为为1574Mpa ，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体结构造成破坏。

将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到479.08 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离8mm移动两个单元应力值降到326.87Mpa，对应屈服安全系数为1.055不满足设计要求。移动四个单元，距离12mm应力值降到248.66 Mpa，对应屈服安全系数为1.387不满足设计要求

附件4：危险点安全系数

（四）跌落分析

1、计算目的：计算蓄电池pack系统的框架结构是否链接可靠、结构完好、产生裂缝、断裂等现象。

2、计算条件

① 沿Z轴方向，从1m的高度自由跌落到水泥地面。

图12 跌落冲击曲线图

3、分析结果

变形：

图13 整体变形图

图14内部支架变形图

图15 外部框架变形图

图16 耳坐变形图图

等效应力：

图17 主要应力集中部件详图

4、结果分析

图18整体等效应力图

图19 评估最大应力值选择点

从变形结果来看，变形比较大的区域在窄端的中心和宽端的中心位置，详细分解来看系统内的电池模组支架的最大变形量为2.69mm，系统壳体的最大变形为3.01mm，系统外部框架的最大变形为2.25mm，四个耳坐的最大变形为2.01mm。
从应力结果来看，最大应力出现在窄端内部支撑电池模组的横梁位置，最大值1177.3Mpa，最大应力点位于结构两个面交界处边线上存在一定的误差不具备参考价值，只是局部产生应力奇点，不会对整体��构��成破坏。
将应力点向结构内部方向移动一个单元应力值降到472.08 Mpa，最大应力点到选择的应力值点距离12mm移动两个单元应力值降到177.3 Mpa，对应屈服安全系数为1.946，满足设计要求。

附件5：危险点安全系数

储能