1. 簡(jiǎn)介

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，近幾年純電動(dòng)汽車已經(jīng)占據(jù)汽車市場(chǎng)的重要地位。由于動(dòng)力電池往往安裝在車輛駕駛艙底部，那么如何避免動(dòng)力電池進(jìn)水受潮和塵土的侵入，也是動(dòng)力電池廠商和整車廠的重點(diǎn)考慮問(wèn)題。GB 38031—2020 《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》和GB/T 4208—2017 《外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）》中規(guī)定動(dòng)力電池外殼防護(hù)等級(jí)需要達(dá)到IP67以上，即無(wú)灰塵進(jìn)入并且浸入規(guī)定壓力的水中經(jīng)規(guī)定時(shí)間后外殼進(jìn)水量不致達(dá)有害程度。

 

動(dòng)力電池的主要密封部位是上箱體與下箱體的法蘭面，密封面積大，承受的載荷也復(fù)雜多變。既要承受外界水汽和塵土的侵蝕，也要承受電池內(nèi)部單體工作受熱產(chǎn)生的氣體膨脹力，同時(shí)也要避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形導(dǎo)致法蘭面密封失效。

 

對(duì)動(dòng)力電池包密封性能的檢查和校核主要集中在安全性試驗(yàn)和生產(chǎn)線檢查兩個(gè)階段。生產(chǎn)線檢查是指動(dòng)力電池包在完成組裝，調(diào)離生產(chǎn)線的最后一道檢驗(yàn)程序,一般就是充氣試驗(yàn)。而安全性試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是指動(dòng)力電池包在進(jìn)行完振動(dòng)耐久試驗(yàn)后進(jìn)行水浸試驗(yàn)。兩個(gè)試驗(yàn)均在生產(chǎn)組裝之后，那么如何在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)動(dòng)力電池包密封性能？有限元仿真分析技術(shù)能夠在設(shè)計(jì)初期就能給出較為精確的預(yù)估。本文主要采用 Abaqus 軟件對(duì)某款動(dòng)力電池包進(jìn)行密封性能分析，并對(duì)其影響因素進(jìn)行探究。

 

2. 有限元仿真模型建立

以某款動(dòng)力電池為例，建立密封仿真分析模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和計(jì)算效率，選取包含1 個(gè)完整螺栓間距的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

 

其中，按照結(jié)構(gòu)特征分別采用 S3、S4 和 C3D8I 單元模擬金屬等彈塑性材料結(jié)構(gòu)，采用 C3D8H 單元模擬超彈性材料結(jié)構(gòu)，如結(jié)構(gòu)膠和密封墊等。其中密封墊由于壓縮量較大，需要保證單元的質(zhì)量，同時(shí)嚴(yán)格控制厚度方向單元尺寸，避免由于尺寸過(guò)小，在求解過(guò)程中出現(xiàn)單元變形過(guò)大，從而導(dǎo)致不收斂現(xiàn)象的發(fā)生。

 

 

圖 1. 有限元模型示意圖

 

3. 超彈性泡沫材料模型

目前，動(dòng)力電池密封墊一般采用發(fā)泡硅膠和泡棉等材料，具有優(yōu)良的絕緣性能和耐化學(xué)腐蝕性、耐水性、耐老化性等特點(diǎn)。

 

Abaqus 提供的超彈性泡沫材料模型與發(fā)泡硅膠在物理和力學(xué)性能方面具有良好的適用

性。

 

超彈性泡沫材料模型具有以下特點(diǎn)：

1) 各向同性和非線性；

2) 適用于孔隙率允許非常大體積變化的多孔固體；

3) 可彈性變形至大應(yīng)變，壓縮應(yīng)變高達(dá) 90%；

4) 要求在分析步驟中考慮幾何非線性。

 

超彈性泡沫材料的典型壓縮力學(xué)行為是：

1) 在小應(yīng)變（5%）下，超彈泡沫以線彈性方式變形；

2) 第 2 階段是幾乎恒定應(yīng)力下的變形，由孔隙邊緣或孔隙壁的彈性屈曲引起。

3) 最后，出現(xiàn)致密化區(qū)域，孔隙壁擠壓在一起，導(dǎo)致壓縮應(yīng)力迅速增加。典型材料的極限壓縮應(yīng)變?yōu)?/span> 0.7 至 0.9。

 

 

圖 2. 超彈性泡沫材料典型壓縮力學(xué)性能

 

本文中，采用壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)和泊松比定義超彈性泡沫材料的壓縮力學(xué)性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)對(duì)比見圖 3，兩者之間的吻合度在 90%以上。

 

 

圖 3. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)壓縮力學(xué)性能對(duì)比

 

4. 有限元仿真結(jié)果

提取動(dòng)力電池上箱體和密封墊之間的接觸壓力，根據(jù)用戶使用條件或試驗(yàn)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。該動(dòng)力電池上箱體密封墊的接觸壓力分布見圖4所示，螺栓之間接觸壓力變化曲線如圖5所示。

 

 

圖 4. 密封墊接觸壓力云圖

 

 

圖 5 螺栓間接觸壓力變化曲線

 

根據(jù)密封墊接觸壓力云圖和螺栓間的接觸壓力曲線顯示，接觸壓力隨遠(yuǎn)離螺栓而下降，該動(dòng)力電池包螺栓中間位置接觸壓力大概為螺栓邊緣的70%左右。根據(jù)用戶實(shí)際使用場(chǎng)景或試驗(yàn)條件，對(duì)密封性能進(jìn)行判定。要求如下：

 

 

 

5. 動(dòng)力電池上箱體密封影響因素研究

5.1 上箱體翻邊結(jié)構(gòu)對(duì)密封性能的影響

該動(dòng)力電池上箱體采用薄鈑金結(jié)構(gòu)，對(duì)其邊緣進(jìn)行翻邊沖壓，可有效提高動(dòng)力電池上箱體整體剛度。保持其他結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證翻邊結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力電池上箱體密封性能的影響，模型對(duì)比如圖6所示。

 

有限元計(jì)算結(jié)果見圖 7。當(dāng)前結(jié)構(gòu)和計(jì)算條件下，上箱體翻邊結(jié)構(gòu)密封墊接觸壓力為無(wú)翻邊結(jié)構(gòu)的 1.2 倍左右。

 

 

圖 6 動(dòng)力電池上箱體有無(wú)翻邊結(jié)構(gòu)模型對(duì)比

 

 

圖 6 上箱體翻邊結(jié)構(gòu)對(duì)螺栓間密封墊接觸壓力影響

 

5.2 上箱體壓板對(duì)密封性能的影響

壓板結(jié)構(gòu)相當(dāng)于增加動(dòng)力電池上箱體法蘭面厚度，也是對(duì)局部剛度和整體剛度增加的有效方法，可以有效避免由于上箱體局部平整度不足引起的密封性能下降。

 

有無(wú)壓板結(jié)構(gòu)有限元模型見圖 7，計(jì)算結(jié)果見圖 8。當(dāng)前結(jié)構(gòu)和計(jì)算條件下，上箱體有壓板結(jié)構(gòu)密封墊接觸壓力為無(wú)壓板結(jié)構(gòu)的 1.1 倍左右。

 

 

圖 7 動(dòng)力電池上箱體有無(wú)壓板結(jié)構(gòu)模型對(duì)比

 

 

圖 8 壓板結(jié)構(gòu)對(duì)螺栓間密封墊接觸壓力影響

 

5.3 螺栓預(yù)緊力對(duì)密封性能的影響

動(dòng)力電池上箱體螺栓在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間道路顛簸或耐久試驗(yàn)影響，往往會(huì)出現(xiàn)螺栓擰緊力矩大幅度衰減的情況。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在完成20萬(wàn)公里壞路耐久試驗(yàn)后，動(dòng)力電池上箱體大部分螺栓擰緊力矩衰減至設(shè)計(jì)值的50%左右，個(gè)別螺栓只能達(dá)到設(shè)計(jì)值的30%左右。利用Abaqus計(jì)算密封墊厚度、接觸壓力與螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系，如圖9所示。

 

由分析結(jié)果可知，當(dāng)螺栓擰緊力矩達(dá)到設(shè)計(jì)值的9%左右時(shí)，密封墊壓縮量就將達(dá)到設(shè)計(jì)值。所以增加螺栓擰緊力矩對(duì)動(dòng)力電池上箱體密封性能影響不大。

 

 

圖 9 螺栓擰緊力矩對(duì)密封墊壓縮量和接觸壓力影響

 

5.4 螺栓間距對(duì)密封性能的影響

由于螺栓作用范圍有限，螺栓間距必然對(duì)密封性能具有較大影響。在相同條件下，分別計(jì)算螺栓間距：80mm、90mm、100mm、120mm、150mm和200mm，驗(yàn)證螺栓間距對(duì)密封性能的影響，計(jì)算結(jié)果見圖10所示。

 

 

圖 10 螺栓間距對(duì)密封墊接觸壓力影響

 

由有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著螺栓間距的增大，密封墊接觸壓力逐步下降，當(dāng)螺栓間距增大到原來(lái)的2.5倍時(shí)，密封墊最小接觸壓力為原來(lái)的65%左右。

 

6. 結(jié)論

Abaqus軟件能夠在設(shè)計(jì)初期快速進(jìn)行動(dòng)力電池上箱體密封性能預(yù)測(cè)，并且其超彈性泡沫材料模型能夠較好的模擬發(fā)泡硅膠或泡棉密封墊的力學(xué)性能。本文采用密封墊接觸壓力作為密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)某款動(dòng)力電池上箱體密封性能進(jìn)行仿真分析，同時(shí)驗(yàn)證了影響動(dòng)力電池上箱體密封性能的影響參數(shù)，提供動(dòng)力電池上箱體密封性能設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

 

1) 動(dòng)力電池上箱體翻邊結(jié)構(gòu)能夠有效改善密封性能；

2) 動(dòng)力電池上箱體壓板結(jié)構(gòu)能夠有效改善密封性能；

3) 合理的設(shè)計(jì)動(dòng)力電池上箱體螺栓間距，能夠有效保證上箱體的密封性能；

4) 動(dòng)力電池上箱體螺栓擰緊力矩對(duì)上箱體密封性能影響不大，只要達(dá)到螺栓的保證載

荷即可。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方