某電動汽車動力電池擠壓仿真與試驗

賈迎龍，吳文娟，熊飛，劉靜，匡松松，曾維權

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某電動汽車動力電池擠壓仿真與試驗

賈迎龍，吳文娟，熊飛，劉靜，匡松松，曾維權

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

動力電池系統作為電動汽車的核心部分，其道路上行駛時的安全性及可靠性關系到電動汽車的使用性能和安全情況。文章運用有限元仿真技術對動力電池系統的Pack結構在抗擠壓性能方面的仿真分析方法進行了研究，獲得了精度較高的分析模型，并通過試驗對仿真分析結構進行對比驗證，完善了動力電池結構可靠性分析體系及評價標準，為自主正向開發動力電池提供了理論依據及評價標準。

動力電池結構；有限元仿真；擠壓仿真；材料失效準則

前言

與電動汽車其它零部件一樣，動力電池在性能方面滿足要求的前提下，安全性和使用壽命也必須達到相關要求和標準，這也是整個動力電池系統設計開發的重點關注部分。國家對于動力電池結構安全方面的檢測提出了相應的國家標準作為依據，在現行GB/T 31467-2015[1]標準中對電池模組和動力電池整包在極端情況下的安全提出了具體要求，主要極端情況有隨機振動、機械沖擊、跌落翻滾、模擬碰撞和擠壓等。其中擠壓工況為測試中較為嚴苛的工況，本文針對電池包的這項性能進行了研究。

有限元仿真技術可以對電池PACK結構的設計提供可靠的分析方法和理論依據，再設計初期就提出可能存在的缺陷及優化方向，從而提高了動力電池產品的開發效率以及安全系數。

目前對于電池包擠壓性能的研究，國內一些學者展開了一些探索性的研究。馮富春等[2]某電動汽車電池包擠壓仿真分析，對電池包的擠壓方法，仿真的方式進行了部分研究，對電池包的機械結構強度進行了仿真，并沒有涉及到動力電池包在擠壓過程中發生塑性大變形及材料斷裂等情況。

因此本文主要針對動力電池包的擠壓過程中發生嚴重擠壓變形的情況進行了有限元仿真的研究，并且進行了有限元仿真的試驗對標，提高動力電池包仿真分析的準確性和適用范圍。

1 模型的建立

1.1 幾何模型的建立

本文所研究的電池包PACK結構主要是由上蓋板，下箱體、模組、水冷系統、電器聯接部件及電池管理系統等組成。上蓋板為SMC復合材料，下殼體采用6061高強鋁型材拼焊，模組安裝在下殼體上，整個動力電池包總重量約355kg，幾何模型如圖1所示。

圖1 動力電池系統幾何模型

1.2 材料的選用

電池模組采用彈性材料模型，下箱體及內部固定支架等金屬部件均采用彈塑性材料模型。各零部件材料的力學性能參數，見表1所示。各金屬部件的材料數據均由實際樣件測試獲得，模組材料性能由模態對標等效法獲得。

表1 材料力學性能參數

1.3 材料破壞失效準則的選用

由于動力電池包擠壓試驗過程中，殼體會大量開裂，然而在處理模型發生塑性大變形及材料斷裂問題時，經典的試驗與分析方法會失效，但是有限元方法能夠成功解決這類問題[3]，所以本文主要采用了Abaqus軟件里提供的累計損傷與失效材料準則的有限元法來仿真動力電池包的擠壓試驗。

ABAQUS中有四種初始斷裂準則[4]：

（1）在高應變速率下變形時，有shear failure和tensile failure；

（2）對于斷裂延性金屬：可以選用韌性準則（ductile criteria）和剪切準則（shear criteria）；

（3）對于縮頸不穩定性可以使用（鈑金）FLD、FLSD、M-K以及MSFLD；

（4）對于鋁合金、鎂合金以及高強鋼在變形過程中會出現不同機制的斷裂，可能會將以上準則聯合起來進行使用。

本文內所采用的是韌性斷裂準則（DUCTILE，即帶有應力三軸度的斷裂準則）。由于動力電池包擠壓過程中，擠壓柱移動較緩慢，所以本文的仿真分析采用的是準靜態動力學仿真，暫不考慮應變率的影響。

無量綱參數應力三軸度η來表征：

式中：a、b均為材料常數，可以通過試驗測得?？梢酝ㄟ^單軸拉伸實驗、壓縮實驗和純剪切驗等測得各自的應變量。應力三軸度η跟各個實驗的對應關系為：拉伸時0.33，壓縮時-0.33，純剪切時0。斷裂應變與應力三軸度η間的關系曲線，如圖2示。

2 擠壓仿真方法的確定

在GB/T 31467.3-2015標準內提出的各項安全性能測試中，動力電池產品的擠壓測試是通過率較低的項目。通常擠壓測試要求以半徑為75mm的半圓柱體沿X和Y方向擠壓產品，當擠壓力達到100kN 或擠壓變形量大于擠壓方向整體尺寸的30%時停止擠壓，保持10min后觀察1h，要求產品在發生嚴重擠壓變形的情況時無起火和爆炸現象。

由于擠壓過程中，擠壓柱移動速度較慢，所以本文內采用Abaqus軟件準靜態分析的顯示求解方法，通過設置的適當的Mass Scale系數（質量縮放法）來調節仿真計算時長與仿真計算精度間的平衡。

仿真模型如圖3、圖4所示，約束剛性墻6個自由度，擠壓柱釋放擠壓方向的自由度（約束其余5個自由度），擠壓速度4m/s，擠壓距離至電池包邊梁斷裂。

圖3 有限元X向擠壓模型

圖4 有限元Y向擠壓模型

3 仿真分析結果

3.1 初始模型分析結果

初始模型X向擠壓結果如圖5所示，擠壓力能達到的最大峰值為87kN，達不到GB/T 31467.3-2015要求的100kN，不滿足要求。圖6為X向擠壓力達到峰值時的截面開裂變形云圖。

圖5 初始模型X向擠壓分析結果

圖6 X向擠壓變形云圖

初始模型Y向擠壓結果如圖7所示，擠壓力能達到的最大峰值為145kN，滿足GB/T 31467.3-2015要求的100kN，但從圖8中可以發現，箱體變形位置與模組件的間隙較小，設計余量不足。圖8為Y向擠壓力達到峰值時的截面變形云圖。

圖7 初始模型Y向擠壓分析結果

圖8 Y向擠壓變形云圖

3.2 優化方案

通過擠壓仿真結果，發現箱體擠壓開裂主要底板與邊梁過渡區域。因此特地針對該區域各個加強筋用Tosca進行Topo優化分析，然后結合工程工藝要求，優化了各加強筋的布置及厚度，并對結構過強區域進行減重。方案對比見圖9。

圖9 方案對比

3.3 優化模型擠壓分析結果

優化模型X向擠壓結果如圖10所示，擠壓力能達到的最大峰值為135kN，滿足GB/T 31467.3-2015要求的100kN。圖11為X向擠壓力達到100kN時的截面變形云圖。

圖10 優化方案X向擠壓分析結果

圖11 X向擠壓變形云圖

優化模型Y向擠壓結果如圖12所示，擠壓力能達到的最大峰值為125kN，滿足GB/T 31467.3-2015要求的100kN。圖13為X向擠壓力達到100kN時的截面變形云圖。

圖12 優化方案X向擠壓分析結果

圖13 X向擠壓變形云圖

4 仿真模型驗證

為了驗證仿真的準確性，按GB/T 31467.3-2015標準對動力電池包進行擠壓測試，試驗結果與仿真結果對比如圖14所示。從試驗與仿真對標結果可以看出，X向與Y向擠壓試驗完成后，動力電池PACK均發生了不用程度的開裂，仿真結果與試驗結果一致性較好，基本可以驗證仿真結果的準確性。試驗結果見圖15。

圖14 試驗結果與仿真結果對比

5 結論

（1）對于動力電池包擠壓工況，采用Abaqus仿真軟件的塑性金屬材料的累積損傷與失效模型能更為準確的仿真真實的試驗過程，具有較高的參考價值。

（2）在動力電池包的開發設計初期，利用上述有限元仿真手段對動力電池包結構進行預估，能夠有效降低產品研發成本和風險，縮短產品開發時間。

[1] GBT 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分:安全性要求與測試方法[S].北京:中國標準出版社,2015:4-7.

[2] 馮富春,楊重科,李彥良,等.某電動汽車電池包擠壓仿真分析[J]. 2017,33-36.

[3] Marouani H,Rachikm,Huge.Experimental investigations and FEM simulations of parameters influencing the Fe-(wt.3%) Si shearing process [J]. Mechanics＆Industry,2012,13 (4) :271-278.

[4] ABAQUS Theory Manual[M].ABAQUS Inc.,USA,2016.

[5] 劉倩,韓靜濤,鄭小平,等.一種基于應力三軸度的斷裂準則及其在剪切工藝中的應用[J].塑性工程學報,2018,25(2): 57-64.

[6] Li H,Fu M W,Lu J,et al.Ductile fracture: experiments and computa tions [J]. International Journal of Plasticity,2011,27(2):147-180.

Simulation and test of power cell extrusion of an electric vehicle

Jia Yinglong, Wu Wenjuan, Xiong Fei, Liu Jing, Kuang Songsong, Zeng Weiquan

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

As the core part of electric vehicle, the safety and reliability of power battery system on the road are related to the performance and safety of electric vehicle. In this paper, the finite element simulation technology is used to study the simulation analysis method of Pack structure of power battery system in the aspect of squeezing resistance, and then a high precision analysis model is obtained. The simulation analysis structure is compared and validated by experiments, which improves the reliability analysis system and evaluation criteria of power battery structure, and provides a theoretical basis and a valuation criterion for the independent forward development of power battery.

Power battery pack;FEA;Squeezing simulation;failure criterion of material

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1671-7988(2019)05-14-04

U469.72

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1671-7988(2019)05-14-04

U469.72

賈迎龍，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，從事新能源汽車動力電池系統結構優化研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.004