单位文秘网 2021-07-23 08:22:31 点击: 次
安全性来说就尤为重要。动力电池结构不仅需要满足整车耐久使用要求,特别重要的是还需要满足国家检测标准,本文中针对动力电池包在GB/T31467.3-2015[1]中较难通过的挤压测试项进行了仿真分析及试验应用研究。
1 基于显示动态分析的电池包挤压仿真分析模型的建立
1.1 GB/T挤压试验概述
在GB/T31467.3-2015标准中规定了电池包挤压试验检测项,该检测项采用半径75mm的半圆柱体对动力电池包的水平X与Y向进行挤压,当挤压力达到200kN或挤压变形量达到挤压方向的整体尺寸的30%时停止挤压。若电池包未发生起火爆炸现象则试验通过。
1.2 挤压仿真分析精细化模型的建立
挤压仿真分析有限元建模,除了对电池包的精细建模技术以外,还针对试验设备挤压柱、挤压台面和墙面进行了合理建模。如图1所示;动力电池包结构主要包括上下壳体、模组、电器件、水冷系统等;电池包网格大小为1mm,挤压设备网格大小为10mm,同时对电池包模组及电器件进行配重,与实际设计相符。
1.3 挤压仿真材料参数的确定
材料参数输入各子结构件的弹性模量E(MPa)、泊松比μ、密度ρ(kg/m3),根据材料型号输入材料应力应变曲线。本文采用Abaqus软件中的累计损伤与失效材料准则的有限元法来建立挤压仿真精细化模型[3]。
1.4 模型接触的确定
在电池和挤压刚性台面和墙面间定义接触,经试验与仿真标定,不同设备对应的接触摩擦系数设定值不同。不同挤压状态也直接影响了摩擦系数的定义。同时,整个仿真分析精细化模型需要设定全自动接触,保证与实际试验过程一致。
1.5 边界条件及载荷的确定
约束模型中刚性墙体的六向自由度,约束挤压柱的13456五向自由度,释放挤压柱的平动自由度[2];采用0.1s的计算时间步,对挤压柱施加平动方向的速度载荷3m/s,使挤压柱匀速挤压电池包;通过设置合理的Mass Scale系数(质量缩放法)来调节仿真计算时长与仿真计算精度间的平衡[3],本文模型中的Mass Scale系数∆t=5e-7。
2 电池挤压仿真分析关键技术研究
在挤压仿真技术初步开展到技术成熟过程中,主要从以下几个方面对该项仿真技术进行了提高。
2.1 挤压仿真模型中质量缩放系数(MASS SCALING)的设置及其合理性判断
通过设定合理挤压仿真精细化模型中的质量缩放系数,保障挤压仿真过程处于稳定的能量分布状态,提高分析结果可靠性;在工程应用仿真中,通过准静态仿真模拟动态仿真过程,为提高计算效率,同时保证计算精度,需要设置合理的质量缩放系数,使各挤压时刻动能都不能超出内能的5%,输出动能、内能等随时间变化的曲线,如图2所示,通过该曲线可直观判断该挤压仿真过程输出的变形结果是否可靠。
2.2 挤压仿真分析中摩擦系数的设定
试验设备不同,电池结构不同对挤压试验过程影响较大,挤压设备平面与电池包接触区域的不同,仿真精细化模型中定义的摩擦系数也相应不同;如钢板平面挤压试验设备如图3所示,某钢板带滚珠平面挤压试验设备如图4所示;依据设备与电池包的接触面不同,经过多轮仿真与试验标定,标定合理的摩擦系数,提升仿真模型的精度。
2.3 挤压位置的选择
通过仿真分析,预先判定挤压位置对结果造成的影响,如图5图6做了挤压位置不同的不同挤压结果对比,为了使挤压过程中电池包结构变形不触碰到模组结构,因此通过仿真可判断挤压位置应采用图5所示位置,经试验验证后,其变形结果与仿真一致,如图7所示;位置的选择直接决定了电池包挤压试验的成败。
2.4 擠压试验工装辅助设计
在挤压试验过程中,挤压变形过程判断是否提前设计工装垫块,保证试验正常通过。电池包发生旋转时,设计防旋转工装后,电池包无旋转,可顺利完成试验。分别如图8图9图10所示。
3 电池包挤压仿真分析与试验对标
3.1 某电池包挤压仿真变形与挤压试验后变形一致
某项目电池在整车X向挤压时,因能够承受更大载荷的电池中间位置,放置了易燃易爆的高压电器盒,挤压位置定为X向偏右位置,通过仿真分析,挤压中间位置电池外壳变形会挤压到电器盒,因此排除了挤压中间位置的方案,针对挤压位置进行对比,最终将挤压位置定在了电池靠右位置;通过标定,试验设备摩擦系数设定为0.1;挤压试验电池包的变形与仿真一致,如图11图12所示;且仿真分析电池包承受载荷为200KN时,电池包被挤压位置的最大位移为315mm,与试验结果313mm一致。
3.2 某电池包仿真分析抗挤压结构变形与试验对标
某电池包内部设计了抗挤压横梁框架结构,材料为Q235低碳钢,经仿真分析,该抗挤压结构会发生屈服变形导致试验失败,经挤压试验验证,该电池包在挤压过程中起火导致试验失败,试验变形结果与仿真分析横梁结构变形一致,如图13图14所示,再次验证了分析结果准确性。
4 结论
通过本文研究,基于显示动力学分析的电池包挤压仿真技术研究及其应用情况总结如下:
(1)建立了合理的电池包精细化挤压仿真分析模型,基于显式动力学,通过控制其质量缩放系数,保证模型结果精确度。
(2)通过仿真分析,可有效预判试验结果成败,同时,为挤压位置的选择提供了重要参考。在试验前通过仿真挤压过程判断结构是否有平动翻转以及上下翻转趋势,设计合理的工装,以保证挤压试验的正常开展。通过针对不同挤压设备,设定并校正合理的摩擦系数,大大提高了分析模型精确度;通过分析预选电池挤压位置,多次计算对比结果定挤压位置的方案,最大程度提高试验通过率。
(3)通过仿真分析与试验验证,证明了仿真分析模型的准确性,可大大降低电池包在设计过程中反复验证的成本,缩短了电池包结构设计周期。
参考文献
[1] GB/T31467.3-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法[S].北京:中国标准出版社,2015:4-7.
[2] 冯富春,杨重科,李彦良,等.某电动汽车电池包挤压仿真分析[J].电 源世界,2017,33-36.
[3] 贾迎龙,熊飞,刘静,等.某电动汽车动力电池挤压仿真与试验[J].汽车实用技术,2019,14-17.
[4] ImanFaridmehr,MohdHanim Osman, Azlan Bin Adnan,Ali Farokhi Nejad, Reza Hodjati, Mohammad Amin Azimi. Correlation between Engineering Stress-Strain and True Stress-Strain Curve[J].American Journal of Civil Engineering and Architecture,2014,2(1):53-59.
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