摘要

電池包作為新能源汽車的核心元件，其結(jié)構(gòu)安全性的保證是新能源汽車在運(yùn)行過程中必不可少的。本文對某型號電池包進(jìn)行了擠壓分析計算，分析過程中考慮到電池包裝配模型的復(fù)雜性及Abaqus/Explicit模塊中單元類型的局限性，采用C3D8R單元模擬焊點(diǎn)，避免了剛性單元模擬焊點(diǎn)時局部剛度過大以及嚴(yán)重依賴網(wǎng)格的弊端。

1前言

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，力和力矩通過實體單元來進(jìn)行傳遞，更加符合實際工況。

2電池包擠壓計算模型

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際的移動變形。

依據(jù)ZMP(zeromomentpoint)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：

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

3焊點(diǎn)模型

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

*DISTRIBUTINGCOUPLING，ELSET=name　NodeID，WeightFactor

NodeID，WeightFactor

NodeID，WeightFactor

NodeID，WeightFactor

這種焊點(diǎn)建立方式是在兩層單元中建立一個實體單元，將實體單元中相近的節(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情況。

4計算結(jié)果及分析

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(vonMisesStress)、結(jié)構(gòu)整體剛度(ReactionForce-Displacement Curve)等幾項指標(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，這主要是因為電池包外殼體結(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vonMises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

5結(jié)語

采用實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)。