摘要

電池包作為新能源汽車的核心元件，其結構安全性的保證是新能源汽車在運行過程中必不可少的。本文對某型號電池包進行了擠壓分析計算，分析過程中考慮到電池包裝配模型的復雜性及Abaqus/Explicit模塊中單元類型的局限性，采用C3D8R單元模擬焊點，避免了剛性單元模擬焊點時局部剛度過大以及嚴重依賴網(wǎng)格的弊端。

1前言

在高油價和低排放的雙重背景下，發(fā)展新能源成為了低碳環(huán)保節(jié)能減排的必然選擇，新能源汽車也得到了越來越多的關注。發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為世界各國的共識，中國為實現(xiàn)到2020年單位國內生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40%~5%的目標和汽車產(chǎn)業(yè)彎道超車的歷史使命，將其列入七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之中。

蓄電池作為混動和純電動車的動力來源之一，在整車上承擔著重要的作用。而電池包殼體則起著保證電池組安全和正常工作的關鍵作用。為保證電池包系統(tǒng)的正常工作，GB/T中對電池包的擠壓性能提出了要求。

本分析的目的就是通過計算機仿真的方法檢驗電池包是否可以滿足國標對電池包擠壓性能的要求。在動力驅動系統(tǒng)開發(fā)早期，對電池包的抗擠壓特性進行合理的評估和改進可以減少設計周期，降低風險，保證電池包能滿足安全性能的要求，同時保證零件的局部強度性能。

由于電池包里零部件眾多，普遍采用的是點焊技術進行結構連接。焊點結構的特殊性對電池包結構強度、剛度均有很大的影響。

目前，主要的焊點處理方式有以下幾種：

1)剛性連接法：該方法是在兩個零部件連接部位建立剛性連接單元，可以采用六自由度或三自由度(只約束平動)的連接方式，使兩個節(jié)點在被約束自由度上有相同的位移，這種連接方式會導致局部結構剛度偏大，局部連接區(qū)域會產(chǎn)生較明顯的應力集中現(xiàn)象。

2)公共節(jié)點法：該方法是將不同零部件上對應的節(jié)點合并，相鄰零部件在點焊處采用同一節(jié)點，這種連接方式對模型要求較高，對應節(jié)點位置相差不能太遠，單元網(wǎng)格的質量要求比較高，且無法模擬焊點斷裂的情況。

3)公共單元法：該方法是在點焊連接處建立三維單元來模擬焊點，并把該單元與相鄰零部件Tie在一起。這種方法處理起來工作量比較大，但是精度較高，力和力矩通過實體單元來進行傳遞，更加符合實際工況。

2電池包擠壓計算模型

電池包的擠壓是采用半圓柱體對電池包外殼從X方向實施擠壓，擠壓距離控制在電池包該方向長度的30%，電池包的有限元模型如圖1所示。

圖1.有限元模型圖

2.1邊界條件

X方向的擠壓模型如圖2所示，電池包放置于支撐板和擠壓板之間，以較小的速度來進行擠壓，用準靜態(tài)來模擬靜態(tài)受力。

考慮到電池包前擠壓面與后擠壓面之間存在一個高度差，在擠壓過程中會產(chǎn)生一個轉矩，導致電池包在擠壓過程中翻轉，并且隨著電池包的翻轉，高度差會增加，從而產(chǎn)生更大的轉矩。因此，需要在電池包翻轉初期對其進行控制，限制住電池包在擠壓過程中不符合實際的移動變形。

依據(jù)ZMP(zeromomentpoint)理論[10]，電池包所受到的合力(外力、慣性力、重力)的延長線的交點稱為ZMP，當ZMP位置位于電池包與支撐板接觸范圍內時，電池包將不會產(chǎn)生翻轉。假設接觸面的Z向位置為0，且準靜態(tài)不考慮慣性力，則ZMP位置表達式為：

由于在本次計算中，Y向沒有不平衡力矩，因此只需要調整ZMP的X坐標。為了盡可能小的約束模型，同時達到抑制電池包在擠壓中翻轉的問題，采用剛度較小的SPRINGA單元連接電池包前端位置，如圖3所示，其剛度的簡略計算公式如下：

ReactionForce∗HeightDifference=SpringForce∗PackageLength(2)

圖2.電池包X方向擠壓模型

圖3.電池包受力分析圖

3焊點模型

首先先導入焊點幾何位置，并在焊點位置建立ACM焊點，得到該位置焊點的有限元模型，如圖4所示。

圖4.電池包焊點模型

目前，Dcoup3D單元類型目前只支持應用于Abaqus/Standard中，其關鍵字如下：

*ELEMENT，TYPE=DCOUP3D，ELSET=name

ElementID，NodeID

*DISTRIBUTINGCOUPLING，ELSET=name　NodeID，WeightFactor

NodeID，WeightFactor

NodeID，WeightFactor

NodeID，WeightFactor

這種焊點建立方式是在兩層單元中建立一個實體單元，將實體單元中相近的節(jié)點與焊接面上的單元建立Coupling連接，并可以設定相應的權重系數(shù)。

值得注意的是Dcoup3D類型單元并不能被Abaqus/Explicit識別，因此采用C3D8R單元代替Dcoup3D單元，并建立焊點單元與焊接面之間的Tie連接。這種連接方式相比于剛性連接和共節(jié)點的連接方式，不會增加局部的剛度，精度更高，更加逼近于焊接的真實情況。

4計算結果及分析

X方向

根據(jù)GT/B對電池包抗擠壓性能的評價體系，本文對電池包擠壓分析結果進行了分析，通過對電池包在擠壓過程中的變形(Displacement)、等效應力(vonMisesStress)、結構整體剛度(ReactionForce-Displacement Curve)等幾項指標進行了分析。

在擠壓過程中，電池包殼體的變形形式?jīng)Q定了能否提供足夠的剛度來保護內部電池元件之間不會發(fā)生相互干涉，同時也確保電池不會受到擠壓而發(fā)生電池液泄露等安全事故，因此電池包的變形及位移是作為評價電池包抗擠壓性能的重要指標之一。

圖5位X方向擠壓過程中電池包不同時刻的位移云圖。

圖5.電池包X方向擠壓不同時刻位移云圖

圖6.電池包變形形式

在電池包受擠壓后，最開始的變形發(fā)生在與擠壓面接觸的地方，從變形中可以看出，變形最大的部位發(fā)生在與擠壓圓柱接觸區(qū)域，且電池包下半部分變形大于上半部分，這主要是因為電池包外殼體結構呈現(xiàn)為階梯型構造，導致電池包的變形呈現(xiàn)出一種向上凸起折疊的形式，如圖6所示。

圖7.電池包X方向擠壓不同時刻應力云圖

等效應力通常是作為判斷材料是否進入塑性的關鍵參數(shù)，尤其是作為判斷關鍵區(qū)域材料是否滿足強度要求的主要參考值，因此等效應力也是作為電池包抗擠壓性能的重要指標之一。圖7為X方向擠壓過程中不同時刻的vonMises應力云圖。

由于在擠壓過程中涉及到比較大的變形和力，大部分材料會進入塑性區(qū)域，電池包應力比較大的區(qū)域主要集中在受擠壓區(qū)域以及各個部位倒角處，以及焊接連接處。由于底盤結構的特殊性，底盤上應力值整體都處于比較高的值，尤其是在階梯狀的倒角處，該部位變形明顯，底盤應力云圖如圖8所示。

圖8.電池包底盤應力云圖

支反力-位移曲線作為評價整體結構剛度的最為直觀的參數(shù)，是考查電池包抗擠壓性能的關鍵指標。

圖9為電池包在擠壓過程中擠壓板上的支反力時間歷程，可以看出支反力在擠壓初期處于比較小的階段，這主要是在擠壓初期，變形位置主要發(fā)生在與擠壓板接觸的支架上，剛度較低。

在0.06s-0.1s之間，擠壓板開始擠壓電池包主要結構，同時支架的變形還在繼續(xù)，這個狀態(tài)下電池包整體剛度最大，支反力急劇上升，在0.1s之后，支架基本貼合到電池包主體上，整體結構剛度趨近于線性。

圖9.擠壓板支反力時間歷程

5結語

采用實體單元模擬汽車零部件之間的焊接點有比較高的精度，且符合實際焊接情況。

通過Abaqus/Explicit擠壓分析計算，得到了新能源汽車電池包的抗擠壓性能參數(shù)，保證了電池包在車輛運行過程中的安全性。合理的、流程化的CAE分析計算過程，能夠有效的簡短開發(fā)周期降低開發(fā)成本，對產(chǎn)品的設計和優(yōu)化提供相應依據(jù)。