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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-09-29 12:24
摘要：動力電池箱體作為動力電池系統(tǒng)的最關(guān)鍵的承重部件，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對整車運(yùn)行至關(guān)重要。文章通過理論分析與有限元仿真分析相結(jié)合，詳細(xì)研究了箱體材料厚度、箱體零件結(jié)構(gòu)以及有無加強(qiáng)板三個方面對箱體局部應(yīng)力的影響規(guī)律以及作用機(jī)理。通過HyperMesh 軟件進(jìn)行有限元仿真分析，得到四組局部應(yīng)力產(chǎn)生位置以及局部應(yīng)力數(shù)值。對比分析數(shù)據(jù)，總結(jié)出工程項(xiàng)目中有效降低箱體局部應(yīng)力的方向：合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及局部應(yīng)力集中部位增加材料厚度，不僅能充分利用零件自身的彈性變形吸收部分應(yīng)力而且能有效地將應(yīng)力傳遞出去。文章最后通過對優(yōu)化后的電池箱體進(jìn)行振動試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了降低局部應(yīng)力的優(yōu)化方向、箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的有效性和合理性，為后續(xù)車載電池箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：電池箱體；局部應(yīng)力；HyperMesh；應(yīng)力仿真；箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
隨著電動汽車的快速發(fā)展以及電動車輕量化的推進(jìn)，動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的核心組成部分，其安全性和可靠性需要滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。電池箱體作為一個承載電芯以及電氣件的零部件，通過箱體兩側(cè)的吊耳掛載在車輛底盤上，在車輛行駛過程中受到多種復(fù)雜多變的作用力，可能引起局部區(qū)域出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命[2-3]。為避免動力電池箱體因局部應(yīng)力集中導(dǎo)致箱體疲勞開裂引發(fā)的安全問題，本文針對某車企的一款動力電池系統(tǒng)，分別從箱體材料厚度不同、箱體結(jié)構(gòu)不同及有無內(nèi)部加強(qiáng)板三個方面進(jìn)行電池箱體設(shè)計。并借助計算機(jī)仿真技術(shù)，采用HyperMesh 軟件建立合適的模型和加載條件，對動力電池箱體進(jìn)行應(yīng)力仿真分析。結(jié)合材料力學(xué)知識、結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論[4]以及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，有針對性地提供箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，系統(tǒng)分析減小動力電池箱體局部應(yīng)力的方法[5]，快速縮短設(shè)計周期以及大量節(jié)約產(chǎn)品的開發(fā)成本，對工程技術(shù)中新產(chǎn)品的開發(fā)具有重要意義[6-7] 。
1、 動力電池系統(tǒng)及電池箱體設(shè)計
1.1 動力電池系統(tǒng)設(shè)計
本動力電池系統(tǒng)采用四個1P7S 的模組和一個1P8S 的模組對稱分布在電池箱內(nèi)，每個模組兩端分別使用螺栓固定在箱體上，模組間使用銅busbar 串聯(lián)成電路。箱體前后端安裝電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）、電池分配單元（Battery Distribution Unit, BDU）和其余電氣件，具體如圖1 所示。
圖1 動力電池系統(tǒng)
1.2 電池箱體設(shè)計
電池箱體由前箱體內(nèi)部梁、后箱體內(nèi)部梁、左箱體內(nèi)部梁、右箱體內(nèi)部梁、模組支撐板、箱內(nèi)加強(qiáng)板等通過電阻點(diǎn)焊和CO2 氣體保護(hù)焊兩種焊接工藝，焊接成一個封閉結(jié)構(gòu)件，該封閉結(jié)構(gòu)置于箱體外殼體內(nèi)，通過電阻點(diǎn)焊與箱體外殼體焊接成型，六個吊耳采用CO2 氣體保護(hù)焊焊接在箱體外殼體外。為了方便理解箱體各部件，本文使用最終滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的箱體設(shè)計詳圖來展示箱體各個部件的名稱，如圖2 所示。
圖2 電池箱體結(jié)構(gòu)
本設(shè)計中箱體外殼體材質(zhì)DC04，厚度1.0 mm。各箱體內(nèi)部梁材質(zhì)SAPH440，厚度1.5 mm。箱內(nèi)加強(qiáng)板材質(zhì)SAPH440，厚度1.5 mm。吊耳材質(zhì)SAPH440，厚度3.0 mm。
2、 電池箱體局部應(yīng)力評估標(biāo)準(zhǔn)
2.1 材料應(yīng)力及開裂理論基礎(chǔ)
材料的變形分為彈性變形和塑性變形。材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后變形完全消失的現(xiàn)象稱為彈性變形。當(dāng)外力去除后變形不能完全消失的現(xiàn)象稱為塑性變形。當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，變形增加較快，材料進(jìn)入屈服階段，此時除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)應(yīng)力持續(xù)增加到一定數(shù)值后，塑性應(yīng)變急劇增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)一個波動的小平臺，這種現(xiàn)象稱為屈服。開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力值，稱為屈服強(qiáng)度（σs 或σ0.2），以它作為材料抵抗外力的指標(biāo)[8]。應(yīng)力超過材料屈服極限后產(chǎn)生頸縮，應(yīng)變增大，使得材料破壞（本文中指箱體開裂）。
2.2 應(yīng)力評估標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031－2020）中5.2.1 要求“電池包或者系統(tǒng)進(jìn)行振動試驗(yàn)，應(yīng)無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現(xiàn)象”。而箱體中局部形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞、溝槽以及有剛性約束處，會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力最大值在超過材料屈服強(qiáng)度時，箱體應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋，在進(jìn)行振動試驗(yàn)后，箱體該部位開裂[9]。為了避免局部應(yīng)力集中問題導(dǎo)致的箱體開裂，本文在多個工程項(xiàng)目有限元仿真分析結(jié)果與振動試驗(yàn)結(jié)果對照中，結(jié)合材料力學(xué)性能，形成的局部應(yīng)力評估標(biāo)準(zhǔn)：局部應(yīng)力最大值＜材料屈服強(qiáng)度/安全系數(shù)，根據(jù)工況、測試條件和質(zhì)保年限不同，安全系數(shù)取1.2～1.5 不等，本文中安全系數(shù)取1.5。
箱體外殼材質(zhì)DC04，材料屈服強(qiáng)度150 MPa，局部應(yīng)力最大值評估標(biāo)準(zhǔn)小于100 MPa。箱體內(nèi)部梁、箱內(nèi)加強(qiáng)板及吊耳材質(zhì)SAPH440，材料屈服強(qiáng)度 389 MPa，局部應(yīng)力最大值評估標(biāo)準(zhǔn)小于259 MPa。
3、 電池箱體局部應(yīng)力影響因素
3.1 電池箱體內(nèi)部梁材料厚度
箱體內(nèi)部梁承載著模組的重量，是箱體內(nèi)關(guān)鍵承重零件。為了探究箱體內(nèi)部梁材料厚度對箱體內(nèi)部梁及箱體外殼體局部應(yīng)力的影響，本動力電池箱體采用箱體結(jié)構(gòu)方案一：后箱體內(nèi)部梁有較大面積的下沉，下沉處與箱體外殼體通過電阻點(diǎn)焊連接，箱體結(jié)構(gòu)方案一如圖3 所示。在有限元仿真軟件HyperMesh 中建立有限元模型，結(jié)構(gòu)采用殼網(wǎng)格的方式離散和實(shí)體單元離散，在螺栓孔周圍建立Washer，使用Rbe2 將相鄰兩零件的Washer 連接，在焊接的兩零件之間建立一層六面體單元標(biāo)識焊縫和焊點(diǎn)，六面體單元兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)通過Rbe3 單元和對應(yīng)的零件連接到一起[10]。經(jīng)仿真計算得到后箱體內(nèi)部梁局部應(yīng)力最大值出現(xiàn)在1P8S 模組固定孔處，箱體外殼體的局部應(yīng)力最大值出現(xiàn)在箱體外殼體上1P8S 模組固定孔延展方向的溝槽處，應(yīng)力最大值第一組數(shù)據(jù)分別為446.68 MPa 和141.35 MPa，不滿足小于259 MPa和小于100 MPa 的評估標(biāo)準(zhǔn)。后箱體內(nèi)部梁（厚度1.5 mm）及箱體外殼體應(yīng)力分布云圖如圖4 所示。
圖3 箱體結(jié)構(gòu)方案一
圖4 后箱體內(nèi)部梁（1.5 mm）及箱體外殼體應(yīng)力分布云圖
依據(jù)應(yīng)力計算公式σ=P/A（P 為作用在材料上的力；A 為材料的橫截面積），材料橫截面積越大，應(yīng)力越小，即通過增加材料的厚度來增加材料的橫截面積，從而達(dá)到降低后箱體內(nèi)部梁局部應(yīng)力的目的，本文在箱體各部件結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅將后箱體內(nèi)部梁材料厚度由1.5 mm 增加至2.0 mm，同時重量增加1.5 kg，再次仿真計算，得到后箱體內(nèi)部梁和箱體外殼體的局部應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置沒有改變，但數(shù)值上有所減小，應(yīng)力值最大第二組數(shù)據(jù)分別為354.66 MPa 和114.56 MPa，不滿足評估標(biāo)準(zhǔn)。后箱體內(nèi)部梁（厚度2.0 mm）及箱體外殼體應(yīng)力分布云圖如圖5 所示。第一和第二組數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1 所示。
表1 后箱體內(nèi)部梁厚度不同仿真應(yīng)力結(jié)果對比
圖5 后箱體內(nèi)部梁（2.0 mm）及箱體外殼體應(yīng)力分布云圖
對比后箱體內(nèi)部梁厚度1.5 mm 和2.0 mm 的局部應(yīng)力最大值第一組和第二組數(shù)據(jù)可知：應(yīng)力最大值隨材料厚度增加有所減低，但依然不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且重量增加較多，在整車追求動力電池系統(tǒng)高能量密度的趨勢下，欲通過增加箱體材料厚度來得到特定強(qiáng)度的箱體并不是最優(yōu)方案。
3.2 電池箱體內(nèi)部梁結(jié)構(gòu)
為了探究箱體內(nèi)部梁結(jié)構(gòu)對箱體局部應(yīng)力的影響，結(jié)合箱體設(shè)計方案一的仿真結(jié)果顯示應(yīng)力值最大出現(xiàn)的位置，在本動力電池系統(tǒng)設(shè)計不變（箱體內(nèi)各零件布置如圖1 所示）、箱體外殼體及吊耳等部件的結(jié)構(gòu)不變的前提下，電池箱體設(shè)計增補(bǔ)箱體結(jié)構(gòu)方案二，與箱體結(jié)構(gòu)方案一的區(qū)別僅在于后箱體內(nèi)部梁的結(jié)構(gòu)不同。方案一后箱體內(nèi)部梁有較大面積的沉臺，沉臺用于與箱體外殼體的點(diǎn)焊焊接。方案二則減少沉臺面積，僅在靠近模組固定孔一側(cè)設(shè)置兩處焊接沉臺，靠近箱體外殼體處均設(shè)置成加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，目的是將后箱體內(nèi)部梁上的部分應(yīng)力通過自身加強(qiáng)筋的彈性變形吸收掉，部分通過箱體外殼體傳遞給吊耳。箱體結(jié)構(gòu)方案二如圖6 所示，經(jīng)仿真分析，得到后箱體內(nèi)部梁和箱體外殼體的局部應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置沒有改變，但應(yīng)力最大值有所降低，得到第三組數(shù)據(jù)，分別為281.99 MPa 和100.82 MPa，后箱體內(nèi)部梁（結(jié)構(gòu)變更）及箱體外殼體應(yīng)力分布云圖如圖7 所示。第一和第三組數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2 所示。
表2 后箱體內(nèi)部梁結(jié)構(gòu)不同仿真應(yīng)力結(jié)果對比
圖6 箱體結(jié)構(gòu)方案二
圖7 后箱體內(nèi)部梁（結(jié)構(gòu)變更）及箱體外殼體應(yīng)力分布云圖
對比第一組和第三組數(shù)據(jù)，可知在后箱體內(nèi)部梁結(jié)構(gòu)上合理的設(shè)計加強(qiáng)筋，能有效的利用加強(qiáng)筋自身的彈性變形吸收部分應(yīng)力，通過后箱體內(nèi)部梁與箱體外殼體焊接能將部分應(yīng)力傳遞出去，以達(dá)到減小局部應(yīng)力的作用，保證箱體強(qiáng)度的目的。
3.3 箱內(nèi)加強(qiáng)板
在分析第三組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，后箱體內(nèi)部梁的局部應(yīng)力最大值為281.99 MPa，依然高出評估標(biāo)準(zhǔn)，且應(yīng)力最大值僅出現(xiàn)在1P8S 模組固定孔處，從應(yīng)力計算公式出發(fā)，僅增加模組固定孔處的材料截面積是最方便有效的方式，即在后箱體內(nèi)部梁背面、模組固定孔下方電阻點(diǎn)焊一個箱內(nèi)加強(qiáng)板，即本文開頭展示的最終版箱體結(jié)構(gòu)（見圖2）。經(jīng)仿真分析，得到后箱體內(nèi)部梁和箱體外殼體的局部應(yīng)力最大值有較大程度降低，得到第四組數(shù)據(jù)，分別為216.68 MPa 和99.90 MPa，后箱體內(nèi)部梁（箱內(nèi)加強(qiáng)板）及箱體外殼體應(yīng)力分布云圖（見圖8）。第三和第四組數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3 所示。
表3 有無箱內(nèi)加強(qiáng)板仿真應(yīng)力結(jié)果對比表
圖8 后箱體內(nèi)部梁（箱內(nèi)加強(qiáng)板）及箱體外殼體應(yīng)力分布云圖
對比第三組和第四組數(shù)據(jù)，可知在局部應(yīng)力最大值出現(xiàn)的孔洞處背面焊接加強(qiáng)板，能有效減小應(yīng)力值，也是箱體重量增加最少且改善局部應(yīng)力集中的最有效手段之一。
為驗(yàn)證上述箱體改善方案是否有效，最終版箱體設(shè)計是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，本動力電池系統(tǒng)進(jìn)行振動試驗(yàn)，在經(jīng)過12 h 的隨機(jī)振動和頻率為24 Hz 正弦定頻振動1 h 試驗(yàn)后，通過檢測振動后動力電池系統(tǒng)的氣密性，氣密性檢測方法：往箱體內(nèi)充氣，直至箱內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)3.0 kPa，保壓30 s 后，開始測試，60 s 后箱體的泄氣值≤100 Pa 時，判定箱體外殼體無任何開裂。本動力電池系統(tǒng)振動試驗(yàn)后泄氣值測試結(jié)果為41 Pa，故可判定箱體外殼體局部應(yīng)力最大值處無開裂。對振動試驗(yàn)后的動力電池系統(tǒng)進(jìn)行拆箱，經(jīng)目視檢測，可判定后箱體內(nèi)部梁局部應(yīng)力大值處無開裂，如圖9 所示。
圖9 振動試驗(yàn)后箱內(nèi)裂紋檢測
4、結(jié)論
本文通過對一款動力電池箱體結(jié)構(gòu)的多維度優(yōu)化，并使用有限元仿真軟件HyperMesh 對各維度的電池箱體進(jìn)行應(yīng)力仿真，對比分析數(shù)據(jù)，并得到優(yōu)化方向。最終通過振動試驗(yàn)驗(yàn)證最終版箱體的強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過優(yōu)化過程得出以下結(jié)論：
1）工程項(xiàng)目中通過整體增加箱體材料厚度來改善箱體局部應(yīng)力的效益不是最優(yōu)。
2）欲減小箱體的局部應(yīng)力，需要考慮箱體的結(jié)構(gòu)，通過合理的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，吸收部分應(yīng)力。同時要考慮應(yīng)力的傳遞途徑，金屬部件之間通過焊接，將部分應(yīng)力傳遞到強(qiáng)度高、應(yīng)力集中小的部件上。
3）通過在局部應(yīng)力集中處焊接加強(qiáng)板來增加應(yīng)力集中處材料厚度，能最優(yōu)化改善箱體應(yīng)力集中現(xiàn)象。
來源：期刊：《汽車實(shí)用技術(shù)》 作者： 陳 燕，王 玉，方有為（合肥國軒高科動力能源有限公司，安徽 合肥 230011）
來源：Internet
