2022年，中國新能源汽車市場呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長態(tài)勢，全年銷量飆升至688.7萬輛，同比增長率高達(dá)93.4%，從而占據(jù)了市場總量的25.6%。在這一背景下，作為新能源車輛尤其是純電動車輛心臟的動力電池，其市場需求也同步飆升。

 

據(jù)統(tǒng)計，2022年全年，我國動力電池的累計裝車量達(dá)到了294.6GWh，同比增長90.7%。值得注意的是，在純電動汽車中，電池包系統(tǒng)占據(jù)了整車重量的20%以上，且研究表明，若純電動汽車重量降低10%，其續(xù)航里程將增加約6%。

 

因此，在電動汽車市場迅猛發(fā)展的當(dāng)下，如何有效減輕動力電池包的重量，成為了汽車工程領(lǐng)域的關(guān)鍵議題。動力電池系統(tǒng)中的電池殼，由于其占總重量的約20-30%，且作為主要結(jié)構(gòu)件，其輕量化改進(jìn)顯得尤為重要。在保障電池系統(tǒng)及其所搭載車輛整體安全的前提下，電池殼的輕量化已成為電池系統(tǒng)升級優(yōu)化的主要方向之一。

 

在材料選擇上，復(fù)合材料以其卓越的比強(qiáng)度、比模量、耐疲勞性和抗斷裂能力，以及相對較輕的密度，成為動力電池包降重的新選擇。然而，這也對動力電池包的有限元仿真技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，要求工程師們不斷創(chuàng)新，確保新型材料在應(yīng)用中能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

 

有限元仿真

基于Abaqus 材料本構(gòu)的選擇，并結(jié)合電池包詳細(xì)結(jié)構(gòu)，對電池包進(jìn)行有限元模型劃分，見圖 6。連接部分多為膠接和螺栓連接， 螺栓連接處用的是 rbe2 連接，能較好地模擬現(xiàn)實螺栓的固定作用。在電池模組內(nèi)部和模組與水冷板之間使用的是膠接，單元信息如表 1所示。

 

 

電池包有限元模型示意圖

 

 

表1.電池包有限元模型單元信息表

 

靜力學(xué)分析結(jié)果

結(jié)合動力電池實際路試工況確定該動力電池包靜力學(xué)仿真極限工況，見表 2 所示。

 

 

表2.動力電池包靜力學(xué)仿真極限工況

 

注：g ——重力加速度，g =9.8 m/s2 。

采用 Abaqus 對表 2 所述的全部工況進(jìn)行求解，并針對不同的材料分別按照不同的評價

體系進(jìn)行評價。詳細(xì)的計算結(jié)果見表 3 所示。

 

 

表3.動力電池包靜力學(xué)仿真極限工況結(jié)果判定

 

其中，上箱體的仿真結(jié)果見圖 7 所示，下箱體的仿真結(jié)果見圖 8 所示。

 

 

上箱體Tsai-WU理論失效系數(shù)云圖

 

 

下箱體S12應(yīng)力云圖

 

模態(tài)與隨機(jī)振動分析結(jié)果

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性，不僅包括頻率還包括振型。電池包進(jìn)行模態(tài)分析主要是確定各個零部件的 1 階模態(tài)和整包 1 階振動主頻（電芯參與振動），以便確定電池包不會在路面激勵或臺架激勵高能量區(qū)發(fā)生共振。Abaqus計算隨機(jī)振動主要是基于模態(tài)動力學(xué)原理實現(xiàn)隨機(jī)振動載荷產(chǎn)生的應(yīng)力在統(tǒng)計學(xué)上概率分布。

 

對不同的材料分別按照不同的評價體系進(jìn)行評價。模態(tài)的計算結(jié)果見圖 9 和圖 10 所示，隨機(jī)振動詳細(xì)的計算結(jié)果見表 4 所示。

 

 

上箱體1階頻率振型云圖

 

 

整包1階頻率振型云圖

 

 

 

表5. 動力電池包隨機(jī)振動工況結(jié)果判定

 

由模態(tài)計算結(jié)果可知，動力電池上箱體 1 階模態(tài) 34Hz，而整包的 1 階主頻較低在22Hz 左右，處于路面激勵范圍，并且在國標(biāo)規(guī)定的隨機(jī)振動高能量區(qū)內(nèi)，有較強(qiáng)的共振風(fēng)險。并且隨機(jī)振動計算結(jié)果顯示液冷板 Z 向隨機(jī)振動損傷達(dá)到 6542，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過限值 1。主要原因是該動力電池包液冷板為電芯的主要承力結(jié)構(gòu)，并且電芯采用 CTP 構(gòu)架，并未形成一個剛度較大的整體結(jié)構(gòu)。

 

 

液冷板隨機(jī)振動損傷云圖

 

結(jié)構(gòu)改進(jìn)與驗證

根據(jù)有限元仿真與試驗驗證結(jié)果，對動力電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。由于動力電池液冷板為薄板結(jié)構(gòu)，上下兩層不超過 3mm，并且采用的 3 系鋁合金具有較低的強(qiáng)度極限。所以應(yīng)該避免液冷板結(jié)構(gòu)承受過大的載荷與應(yīng)力。改進(jìn)措施如下：

 

1）單體兩側(cè)肩部增加壓板，壓板通過結(jié)構(gòu)膠與電芯進(jìn)行粘接，讓電芯形成模組。

2）將密封結(jié)構(gòu)膠更改為結(jié)構(gòu)膠，增加硬化后的剛度，提高電池包 1 階主頻。

3）增加電芯兩側(cè)底部結(jié)構(gòu)膠溢膠量，是電芯與橫縱梁、邊框之間形成剛性連接。

 

通過以上改進(jìn)措施，重新計算動力電池包危險工況與模態(tài)，發(fā)現(xiàn)動力電池包 1 階主頻上升至 36Hz，對比原有結(jié)構(gòu)的 22Hz，上升 39%，靜力學(xué)危險工況與隨機(jī)振動滿足要求，并且通過試驗驗證后，全部結(jié)構(gòu)件無開裂和明顯變形。

 

此外，Abaqus軟件通過其全面的仿真分析能力、精確的電池性能預(yù)測、高效的數(shù)據(jù)接口和集成、優(yōu)化的設(shè)計和解決方案以及支持復(fù)雜問題的解決等特點(diǎn)，為新能源汽車的電池安全提供了強(qiáng)有力的支持。