基于SolidWorks 模擬動力電池箱包的工況分析

謝智恩 鄭海超 蔣順軍

摘 要：電池箱包在電動汽車的行駛過程中會遭到碰撞、擠壓等機械破壞，因此，本文通過SolidWorks軟件的三維建模功能及Simulation模塊模擬了電池包在汽車運動時承載和變形的狀態，并且通過掃頻實驗的結果，確保了有限元模型的準確性，為電池包擠壓和承載等工況的有限元分析提供準確的模型支撐。

關鍵詞：電動汽車;電池箱體;有限元

中圖分類號：U469.72文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0116-03

Operating Condition Analysis of Power Battery Case Based

on SolidWorks Simulation

XIE Zhien ZHENG Haichao JIANG Shunjun

（College of Information and Mechanical & Electrical Engineering， Ningde Normal University，Ningde Fujian 352100）

Abstract： The battery case will be damaged by collision， extrusion and other mechanical damage during the driving process of electric vehicles. Therefore， this paper simulated the load-bearing and deformation state of the battery case when the vehicle was moving through the three-dimensional modeling function and simulation module of SolidWorks software， and ensured the accuracy of the finite element model through the results of frequency sweep experiment， which provided a reference for the finite element analysis of the extrusion and load-bearing conditions of the battery case Meta analysis provides accurate model support.

Keywords： electric vehicle;battery box;finite element

隨著環境污染和能源短缺的問題越來越嚴重，新的清潔能源和環保的能源利用方式開始被重視并投入使用。在汽車的研究領域，新能源汽車成為研究焦點。自“十三五”期間，我國新能源汽車的產銷快速增長。未來汽車的發展核心仍然是節能、環保和安全，如電動汽車、太陽能汽車、氫能等新能源汽車，都可能是很好的發展方向和解決之道[1]。但是，純電動汽車的發展仍然存在較大安全風險，而其風險主要來自動力電池系統。目前，純電動汽車上使用的電池系統主要是由若干個模組（若干個鋰電池組成模組）和其他元器件及線路裝配成而成的動力電池箱包。動力電池系統自身能量很高，雖然質量很好，但是在汽車運行中可能會存在多種因素導致其受到機械破壞。產生機械破壞的原因通常包括：當汽車運行在不同路況的路面上時，路面反饋的不同頻率激振會使電池包產生共振;整車在受到碰撞或者顛簸路況時，會受到基于車身結構傳導產生的擠壓的作用力;電動汽車在剎車時，由于汽車本身重量的慣性及急轉彎等情況傳遞給電池包沖擊荷載等[2-3]。電池包是電動汽車的主要部分之一，在整車中的重量比例大概在60%，而電池箱在對保護電池方面發揮了主要作用，因此對電池箱的使用年限以及安全性能提出了更高的要求。隨著科技的進步，數值計算方法以及計算機技術得到了飛速發展，因此以有限元理論作為基礎的計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）在汽車研究中的應用越來越普遍。針對動力電池箱而言，主要是借助于CAE分析技術完成在極限荷載條件下對電池箱的動力學、靜力學分析，除此之外，還要完成以形貌和拓撲優化為基礎的結構優化設計。

本課題借助有限元完成對我國某電動汽車電池箱的分析，并分析電動汽車在顛簸路況極限荷載下運行時電池箱的結構強度，同時完成優化設計，進一步提高電池箱的結構強度。除此之外，通過模態對電池箱進行分析，獲取在預應力以及自由狀態下電池包的振型以及固有頻率，電池箱的固有頻率全部高于路面激勵頻率，因此在抗震上表現出良好的性能。

1 電池箱有限元模型的建立

本研究借助SolidWorks軟件完成對電池箱體的三維模型建模。為了減少有限元模型進行前處理的工作量，在保證模擬結果準確率的前提下，在建立有限元模型時，對模型進行了簡化，忽略了結構的圓角、倒角及工藝孔等特征，刪除了電線及繼電器等非箱體結構的部件。

2 模型可行性驗證

當存在和電池包固有頻率相接近的頻率的外部刺激對其產生作用時，會出現共振的現象，還會導致電池包遭到破壞，借助模態分析能獲取電池包的模態模型以及固有頻率，這兩個指標是表征電池包剛度以及結構強度最主要的指標[5]。同時，為了能借助有限元完成對電池箱包安全性的分析，還要驗證建立的有限元模型的準確性。而比較掃頻實驗結果和有限元模態分析結果，能保證建立的模型的可行性。建立的有限元的模型中，使用網格共節點取代箱體底板攪拌摩擦焊位置，通過綁定的方式將電芯與模組端板之間進行連接，全都使用Rbe2將支架、模組以及箱體連接起來，使用實體網格取代模組內部膠粘的電芯，剩余的零部件之間全使用通用接觸定義。借助有限元對電池包掃頻的一階頻率為3 299 Hz，而通過實驗的方式則為3 341 Hz，兩者之間存在的誤差僅僅是1.26%，同時，一階振型表現出電池包系統沿[Z]向跳動，完全符合系統提出的要求。因此，該掃頻實驗也完成了對有限元模型準確程度的驗證，即該有限元模型能夠用于評估其他機械性能。

3 工況分析

3.1 電池包擠壓工況分析

當電動汽車整體受到外部碰撞時會使電池包受到擠壓，為了考察產生的擠壓影響，通過擠壓柱產生橫向擠壓完成對車架防護欄對電池箱包的擠壓滲入影響的模擬[4]。《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第2部分：高能量應用測試規程》（GB/T 31467—2015）對電動汽車使用的鋰電池動力蓄電池包的擠壓測試規定中，要求使用半徑為75 mm，長度長于被測電池箱包的高度的半圓柱體，進行[X]向和[Y]向的擠壓，擠壓程度為擠壓力達到100 kN。借助SolidWorks軟件完成電池包擠壓分析模型的建立，建立的擠壓模型中，汽車的行駛方向作為[X]方向，[Y]方向與之相互垂直，為擠壓柱布置的方向。在軟件Simulation中將擠壓柱設置成剛體，并且設置擠壓柱和箱體之間的零部件接觸和相觸面組，將剛性墻全都作為電池包的端部和底部的支撐，以勻速前進的方式向剛性擠壓柱施加100 kN力量。

[X]向擠壓結果如圖1所示。在[X]方向上，由擠壓柱向電池包施加擠壓力量，當擠壓力達到100 kN時，[X]向的最大擠壓應力未超過材料的屈服力。模組和電池包箱體之間還存在距離，模組與擠壓柱端模組之間的距離在受到擠壓后大約縮至9 mm，模組和剛性墻端之間的最近距離大約縮至38 mm，它們之間存在足夠的距離，同時還能保障電池包斷路單元和模組都不會受到擠壓作用，也就是電池包不可能發生爆炸和著火，完全符合機械性能提出的要求。然而，電池包受到擠壓作用之后，形狀發生較大的變化，導致剛性墻端側框可能會發生撕裂，特別是接插件突出的地方，容易出現撕裂凹陷等現象，因此，需要借助絕緣材料在總正、總負等一部分銅排附件的位置設計隔離層，從而讓其完全隔離。

[Y]向擠壓結果如圖2所示。在[Y]方向上，由擠壓柱向電池包施加擠壓的力量，當擠壓力達到100 kN時，[Y]向的最大擠壓應力未超過材料的屈服力。模組和電池包箱體之間還存在距離，模組和箱體側框之間的最近的距離大約縮至27 mm，它們之間存在足夠的距離，能保障電池管理系統（Battery Management System，BMS）和模組都不會受到擠壓作用，也就是電池包不可能發生爆炸和著火。同時，將電池箱在遭受擠壓狀態下對強度提出的要求考慮在內，把三角塊安裝于電池包的模組安裝梁與側框之間作為支撐，將電池包在[Y]方向上受到擠壓時的剛度進一步提高，防止在遭受擠壓時安裝梁端部的形狀發生較大改變[5]。

3.2 電池包承載工況分析

給電池箱底板以300 kg的質量，即在外部荷載中添加的力值約為2 942 N，通過有限元分析，在29.43 m/s2加速度下的應力云圖如圖3（a）所示，云圖顯示應力主要集中分布在安裝點和底板橫梁與殼體進行焊接的地方，并且最大應力為32.1 MPa，低于材料的屈服力，滿足使用條件。

承載工況的位移云圖如圖3（b）所示，因為電池的質量相對均勻地分布在下底板上，所以變形的主要位置在底板的中心位置，且最大變形量為1.81 mm。因為在進行模擬分析時留有一定的安全余量，所以滿足使用要求。

4 結語

本文通過SolidWorks軟件的三維建模功能及Simulation模塊模擬了電池包在汽車運動時承載和變形的狀態，并且通過掃頻實驗的結果，確保了有限元模型的準確性，為電池包擠壓和承載等工況的有限元分析提供準確的模型支撐。基于SolidWorks Simulation的有限元分析功能，模擬不同工況的機械性能，及時發現電池包設計上的不足，避免安全隱患，并且減少開模及實驗測試的成本。

參考文獻：

[1]邱安.液壓式電池熱管理系統設計及其正交優化[D].長沙：湖南大學，2017：1-12.

[2]王芳，夏軍.電動汽車動力電池系統安全分析與設計[M].北京：科學出版社，2017：25.

[3]阮觀強，陳鈺成，徐飛.一種電動客車電池箱抗沖擊性能研究[J].電子制作，2020（21）：82-85.

[4]岑波，周攀峰，胡為松，等.基于有限元仿真的動力電池包機械性能分析[J].研究與設計電源技術，2020（8）：1173-1176.

[5]王軍，沈穎杰，于月琴，等.莫純電動低速車的電池箱設計與分析[J].電池工業，2019（12）：298-304.