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目前電池箱靜強度分析的加載方式多為質(zhì)量點，鮮有建立精確的內(nèi)部電池組模型的研究,。本文建立精細化全接觸式的電池箱靜強度分析模型,；結(jié)果表明，精細化電池箱模型更符合實際,。 電池箱是電動汽車的核心部件之一,，設計高強度、高剛度,、高安全性,、高輕量化的電池箱，對電動汽車的發(fā)展具有重要意義,。文獻為電池箱的強度分析和結(jié)構優(yōu)化提供了有益的參考,，但是，這些研究大多是建立粗略的電池箱模型,，采用均布載荷或質(zhì)量點的形式進行加載,，并沒有考慮電池組的內(nèi)部結(jié)構、電池組與箱體的接觸非線性,、BMS等電氣附件對箱體變形的影響,，力的傳遞路徑與實際情況并不吻合。相關研究表明,，過于簡化的電池箱模型會導致響應的嚴重失真,，進而影響后續(xù)的結(jié)構優(yōu)化。 為了精確地分析電池箱箱體的結(jié)構響應,，保留了電池組內(nèi)部電芯,、電芯壓桿、螺柱等傳力部件,，建立了考慮電池組,、托架,、壓板、加強板,、緊固螺栓,、BMS電氣附件以及外殼的精細化模型，分別采用質(zhì)量點模型和精細化模型研究電池箱的靜態(tài)性能,。通過對比,，精細化電池箱模型的結(jié)構響應更符合實際。 1 電池箱精細化有限元模型 目前已有的研究大部分采用質(zhì)量點模擬電池組,，雖然建模速度快,，計算時間少，但是電池組對箱體沖擊力并不是均勻分布在箱體上,，箱體變形并不符合實際,。因此，有必要建立考慮電池箱內(nèi)部電芯,、托架及BMS等電氣附件的精細化有限元模型,。電池組內(nèi)部有許多電芯、壓板,、隔板,、電芯連接片、模塊連接片,、固定螺栓,，結(jié)構十分復雜，考慮到仿真的難度和準確度,，該精細化電池箱模型主要體現(xiàn)在以下方面： 1）電芯數(shù)量過多,，考慮到建模的時間、計算量,、接觸面,，將12個電芯組成的電池組視為一個實體，傳力的大小和路徑比質(zhì)量點更精確,； 2）保留電池組主要的傳力部件,，例如上壓桿、內(nèi)壓桿,、固定螺栓和外殼，保證電池組的慣性沖擊力按精確的路徑作用到箱體底板,； 3）考慮電池組與底板,、壓桿與電池組之間的接觸非線性，保證電池組的慣性沖擊力按精確的大小作用到箱體底板,。 4）簡化程度低,，僅僅忽略對靜強度影響不大的電芯連接鍍鎳銅片、模塊連接片等。  由于箱體,、壓桿,、底板等部件多為板殼類結(jié)構，所以采用殼單元模擬,；電池組采用六面體單元模擬,；電池組內(nèi)部的固定螺栓不承載電池組載荷，采用CBEAM梁單元模擬,；上壓板與底板的緊固螺柱起局部加強作用,，采用六面體單元建模；托腳與箱體,、箱體和箱蓋,、托架和壓板等之間的螺栓連接認為不發(fā)生強度失效，采用REB2剛性單元模擬,；電池箱托架之間的點焊,、加強板的焊接等采用焊接單元CWELD模擬；電池組與托架,、托腳與箱體,、托架與箱體之間的接觸均建立非線性接觸。電池箱的精細化模型如圖所示,，單元尺寸為5mm×5mm,，共計單元289503個，節(jié)點325832個,，雅克比最小為0.7,，質(zhì)量非常高。  2 電池箱靜強度的對比分析 電池箱靜強度分析的加載方式主要有均布力,、均布載荷,、質(zhì)量點等，這三種方式往往需要很大的動載系數(shù),，電池箱的應力和變形十分保守,。為對比不同加載方式的響應差異，分別采用質(zhì)量點模型和精細化模型進行加載,。電動汽車行駛工況繁多,，不可能窮盡。有文獻選取了垂向顛簸,、左轉(zhuǎn)彎,、右轉(zhuǎn)彎、前進制動,、倒車制動五種工況,，分析表明垂向顛簸工況下電池箱的應力狀況最惡劣,，安全系數(shù)最小，為1.54,。故本文以顛簸工況為參照,，對整體施加垂向加速度3g（X負方向）。電池箱通過托腳和螺栓連接在車架上,，故約束托腳螺栓孔處中心點X,、Y、Z的平動和轉(zhuǎn)動自由度,，模擬與車架的固定連接,。  2.1 形變分析 1）質(zhì)量點模型。在質(zhì)量點模型中,，由于箱體和箱蓋僅僅起到密封,、絕緣的作用，并不直接承受電池組載荷,，所以重點研究托架的變形和應力,。采用質(zhì)量點模型的形變分布如圖2所示，從圖中可知,，托架的整體變形表現(xiàn)為底板a,、壓板b中心的垂向彎曲，形變量由底板a中心位置向外呈輻射狀減小,，最大形變量為0.58mm,；模型的柔度為568mm/N。 2）精細化模型,。采用精細化模型的形變分布如圖3所示,，從圖中可知，托架的最大形變發(fā)生在底板C處,，最大形變量為0.12mm,。形變主要表現(xiàn)為底板C、縱梁A以及BMS的垂向彎曲,，并沒有呈現(xiàn)出圖2所示的中心向外輻射狀,。底板C、縱梁A處形變較大,，是因為該側(cè)布置了三個電池組,，慣性沖擊載荷較大。模型的柔度為22mm/N,，剛度大幅提高,。 由于質(zhì)量點模型和精細化模型的傳力大小和路徑的不同，導致最大形變出現(xiàn)的位置和大小也不同,，精細化模型的形變更符合實際,。  圖2 質(zhì)量點模型形變云圖  圖3 精細化模型形變云圖 2.2 應力分析 1）質(zhì)量點模型。采用質(zhì)量點模型的應力分布如圖4所示,，從圖中可知,，底板的應力分布很不均勻，最大等效應力出現(xiàn)在d處托腳螺栓孔附近,，為101MPa,，安全系數(shù)為2.3。 2)精細化模型,。采用精細化模型的應力分布如圖5所示,，從圖中可知，托架底板整體的應力較低,，最大等效應力為102MPa,，出現(xiàn)在D處所示的托腳螺栓孔附近，安全系數(shù)為2.3,。 這兩種模型的最大等效應力很接近,，均出現(xiàn)在托腳的同一個螺栓孔處；底板中部肋上的應力值也很接近,，約為25MPa,。這說明質(zhì)量點模型和精細化模型的托腳螺栓孔、底板的應力分布差異較小,。  圖4 質(zhì)量點模型應力云圖  圖5 精細化模型應力云圖 2.3 電池箱靜強度綜合評價 根據(jù)材料力學理論,，在一般的靜強度分析中，塑性材料的安全系數(shù)一般取1.5~3.2,。黃明昌等人依據(jù)多年的汽車動力系統(tǒng)領域研究的經(jīng)驗,，對電池箱的靜力學形變給出參照，在3g加速度載荷下,，電池箱內(nèi)結(jié)構件的形變量不得超過3mm,。由前面的分析可知，質(zhì)量點模型和精細化模型的最大形變,、最大應力均滿足要求,，精細化模型的形變和應力分布更符合實際，應采用精細化模型的響應作為結(jié)構優(yōu)化的參考,。 3 結(jié) 論 采用質(zhì)量點模型和精細化模型對電池箱的靜態(tài)性能進行對比分析,。與傳統(tǒng)的質(zhì)量點模型相比，全接觸式的精細化電池箱模型的傳力大小和路徑更為準確,，得到的形變和應力更符合實際,。對后續(xù)的尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化最大變形節(jié)點,、最大應力節(jié)點的選擇具有積極意義,。 |
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