在高油價和低排放的雙重背景下,發(fā)展新能源成為了低碳環(huán)保節(jié)能減排的必然選擇,新能源汽車也得到了越來越多的關(guān)注。發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為世界各國的共識,中國為實(shí)現(xiàn)“到 2020 年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值 CO2 排放比 2005 年下降 40%~ 5%'”的目標(biāo)和汽車產(chǎn)業(yè) “彎道超車”的歷史使命,將其列入七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之中,。

蓄電池作為混動和純電動車的動力來源之一,在整車上承擔(dān)著重要的作用,。而電池包殼體則起著保證電池組安全和正常工作的關(guān)鍵作用。為保證電池包系統(tǒng)的正常工作,GB/T中對電池包的擠壓性能提出了要求,。

本分析的目的就是通過計算機(jī)仿真的方法檢驗(yàn)電池包是否可以滿足國標(biāo)對電池包擠壓性能的要求,。在動力驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)早期,對電池包的抗擠壓特性進(jìn)行合理的評估和改進(jìn)可以減少設(shè)計周期,降低風(fēng)險,保證電池包能滿足安全性能的要求,同時保證零件的局部強(qiáng)度性能。

由于電池包里零部件眾多,普遍采用的是點(diǎn)焊技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接,。焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特殊性對電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,、剛度均有很大的影響。

目前,主要的焊點(diǎn)處理方式有以下幾種:

1) 剛性連接法:該方法是在兩個零部件連接部位建立剛性連接單元,可以采用六自由度或三自由度 (只約束平動) 的連接方式,使兩個節(jié)點(diǎn)在被約束自由度上有相同的位移,這種連接方式會導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)剛度偏大,局部連接區(qū)域會產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,。

2)公共節(jié)點(diǎn)法:該方法是將不同零部件上對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)合并,相鄰零部件在點(diǎn)焊處采用同一節(jié)點(diǎn),這種連接方式對模型要求較高,對應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置相差不能太遠(yuǎn),單元網(wǎng)格的質(zhì)量要求比較高,且無法模擬焊點(diǎn)斷裂的情況,。

3)公共單元法:該方法是在點(diǎn)焊連接處建立三維單元來模擬焊點(diǎn),并把該單元與相鄰零部件 Tie 在一起。這種方法處理起來工作量比較大,但是精度較高,力和力矩通過實(shí)體單元來進(jìn)行傳遞,更加符合實(shí)際工況,。

電池包的擠壓是采用半圓柱體對電池包外殼從 X 方向?qū)嵤D壓,擠壓距離控制在電池包該方向長度的 30%,電池包的有限元模型如圖 1 所示,。

圖 1. 有限元模型圖

2.1  邊界條件

X 方向的擠壓模型如圖 2 所示,電池包放置于支撐板和擠壓板之間,以較小的速度來進(jìn)行擠壓,用準(zhǔn)靜態(tài)來模擬靜態(tài)受力。

考慮到電池包前擠壓面與后擠壓面之間存在一個高度差,在擠壓過程中會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩,導(dǎo)致電池包在擠壓過程中翻轉(zhuǎn),并且隨著電池包的翻轉(zhuǎn),高度差會增加,從而產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩,。因此,需要在電池包翻轉(zhuǎn)初期對其進(jìn)行控制, 限制住電池包在擠壓過程中不符合實(shí)際的移動變形,。

依據(jù) ZMP (zero moment point) 理論[10],電池包所受到的合力 (外力、慣性力,、重力) 的延長線的交點(diǎn)稱為 ZMP,當(dāng) ZMP 位置位于電池包與支撐板接觸范圍內(nèi)時,電池包將不會產(chǎn)生翻轉(zhuǎn),。假設(shè)接觸面的 Z 向位置為 0,且準(zhǔn)靜態(tài)不考慮慣性力,則 ZMP 位置表達(dá)式為:

式中????????/????????分別是 ZMP 點(diǎn) X/Y 方向坐標(biāo),????為各個零部件質(zhì)量,??????/??????分別是各個零部件質(zhì)心坐標(biāo),??????/??????/??????是外力在 X/Y/Z 方向上的分量,????/????/????是外力作用點(diǎn)的坐標(biāo),??是重力加速度。

由于在本次計算中,Y 向沒有不平衡力矩,因此只需要調(diào)整 ZMP 的 X 坐標(biāo),。為了盡可能小的約束模型,同時達(dá)到抑制電池包在擠壓中翻轉(zhuǎn)的問題,采用剛度較小的 SPRINGA單元連接電池包前端位置,如圖 3 所示,其剛度的簡略計算公式如下:

ReactionForce ? HeightDifference = SpringForce ? PackageLength (2)

圖 2. 電池包 X 方向擠壓模型

圖 3. 電池包受力分析圖

首先先導(dǎo)入焊點(diǎn)幾何位置,并在焊點(diǎn)位置建立 ACM 焊點(diǎn),得到該位置焊點(diǎn)的有限元模型,如圖 4 所示,。

圖 4. 電池包焊點(diǎn)模型

目前,Dcoup3D 單元類型目前只支持應(yīng)用于 Abaqus/Standard 中,其關(guān)鍵字如下：

*ELEMENT, TYPE=DCOUP3D, ELSET=name

ElementID, NodeID

*DISTRIBUTING COUPLING, ELSET= name            NodeID, Weight Factor

            NodeID, Weight Factor

            NodeID, Weight Factor

            NodeID, Weight Factor

這種焊點(diǎn)建立方式是在兩層單元中建立一個實(shí)體單元,將實(shí)體單元中相近的節(jié)點(diǎn)與焊接面上的單元建立 Coupling 連接,并可以設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

值得注意的是 Dcoup3D類型單元并不能被 Abaqus/Explicit 識別,因此采用 C3D8R 單元代替 Dcoup3D 單元,并建立焊點(diǎn)單元與焊接面之間的 Tie 連接,。這種連接方式相比于剛性連接和共節(jié)點(diǎn)的連接方式,不會增加局部的剛度,精度更高,更加逼近于焊接的真實(shí)情況,。

X 方向

根據(jù) GT/B 對電池包抗擠壓性能的評價體系,本文對電池包擠壓分析結(jié)果進(jìn)行了分析,通過對電池包在擠壓過程中的變形(Displacement)、等效應(yīng)力(von Mises Stress),、結(jié)構(gòu)整體剛度(ReactionForce-Displacement Curve)等幾項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了分析,。

在擠壓過程中,電池包殼體的變形形式?jīng)Q定了能否提供足夠的剛度來保護(hù)內(nèi)部電池元件之間不會發(fā)生相互干涉,同時也確保電池不會受到擠壓而發(fā)生電池液泄露等安全事故,因此電池包的變形及位移是作為評價電池包抗擠壓性能的重要指標(biāo)之一。

圖 5 位 X 方向擠壓過程中電池包不同時刻的位移云圖,。

圖 5. 電池包 X 方向擠壓不同時刻位移云圖

圖 6. 電池包變形形式

在電池包受擠壓后,最開始的變形發(fā)生在與擠壓面接觸的地方,從變形中可以看出,變形最大的部位發(fā)生在與擠壓圓柱接觸區(qū)域,且電池包下半部分變形大于上半部分,這主要是因?yàn)殡姵匕鈿んw結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為階梯型構(gòu)造,導(dǎo)致電池包的變形呈現(xiàn)出一種向上凸起折疊的形式,如圖 6 所示,。

圖 7. 電池包 X 方向擠壓不同時刻應(yīng)力云圖

等效應(yīng)力通常是作為判斷材料是否進(jìn)入塑性的關(guān)鍵參數(shù),尤其是作為判斷關(guān)鍵區(qū)域材料是否滿足強(qiáng)度要求的主要參考值,因此等效應(yīng)力也是作為電池包抗擠壓性能的重要指標(biāo)之一。圖 7 為 X 方向擠壓過程中不同時刻的 von Mises 應(yīng)力云圖,。

由于在擠壓過程中涉及到比較大的變形和力,大部分材料會進(jìn)入塑性區(qū)域,電池包應(yīng)力比較大的區(qū)域主要集中在受擠壓區(qū)域以及各個部位倒角處,以及焊接連接處,。由于底盤結(jié)構(gòu)的特殊性,底盤上應(yīng)力值整體都處于比較高的值,尤其是在階梯狀的倒角處,該部位變形明顯,底盤應(yīng)力云圖如圖 8 所示。

圖 8. 電池包底盤應(yīng)力云圖

支反力-位移曲線作為評價整體結(jié)構(gòu)剛度的最為直觀的參數(shù),是考查電池包抗擠壓性能的關(guān)鍵指標(biāo),。

圖 9 為電池包在擠壓過程中擠壓板上的支反力時間歷程,可以看出支反力在擠壓初期處于比較小的階段,這主要是在擠壓初期,變形位置主要發(fā)生在與擠壓板接觸的支架上,剛度較低,。

在 0.06s-0.1s 之間,擠壓板開始擠壓電池包主要結(jié)構(gòu),同時支架的變形還在繼續(xù),這個狀態(tài)下電池包整體剛度最大,支反力急劇上升,在 0.1s 之后,支架基本貼合到電池包主體上,整體結(jié)構(gòu)剛度趨近于線性,。

圖 9. 擠壓板支反力時間歷程

采用實(shí)體單元模擬汽車零部件之間的焊接點(diǎn)有比較高的精度,且符合實(shí)際焊接情況。

通過 Abaqus/Explicit 擠壓分析計算,得到了新能源汽車電池包的抗擠壓性能參數(shù),保證了電池包在車輛運(yùn)行過程中的安全性,。合理的,、流程化的 CAE 分析計算過程,能夠有效的簡短開發(fā)周期降低開發(fā)成本,對產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化提供相應(yīng)依據(jù)。