萬長東 陳昱丞 裴顯卜 李洪偉

摘要：電動汽車是未來新能源汽車發(fā)展的重要方向。動力電池是非常重要的電動汽車核心部件，動力電池承受著一定的約束和載荷，要滿足足夠的強度和振動特性。動力電池采用有限元分析方法進行模態(tài)與靜力計算，其網格大小設置為50 mm、15 mm、10 mm、5 mm ，結果顯示網格尺寸對計算結果有著重要影響。因此，通過對動力電池進行自由模態(tài)計算結果來控制全局網格尺寸，通過靜強度計算結果來控制局部網格尺寸，結合模態(tài)結果與靜力計算結果選擇全局網格尺寸10 mm ，局部細化網格尺寸為1 mm ，這樣的網格劃分得到的結果與5 mm網格尺寸計算結果相差不大，同時該電池包結構滿足強度及振動特性。

關鍵詞：電動汽車;電池包;網格尺寸;有限元

中圖分類號：U469.72文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0082-03

Study on Grid Size Control in Power Battery by Finite Element Calculation

Wan Changdong，Chen Yucheng ，Pei Xianbu，Li Hongwei

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Suzhou Vocational University， Suzhou， Jiangsu 215104，China）

Abstract： Electric vehicles are an important direction for the development of new energy vehicles in the future. Power battery is a very important core component of electric vehicle. Power battery bears certain constraints and loads and must meet sufficient strength and vibration characteristics. The finite element analysis method was used for modal and static calculation of power battery， and the grid size was set as 50 mm， 15 mm， 10 mm and 5 mm. The results show that the grid size has an important effect on the calculation results. Through the study of the free modal calculation results of power battery to control the global grid size， through static strength calculation result to control local grid size， combined with static calculation results and the modal results choosing global grid size for 10 mm， local refinement grid size for 1 mm， the meshing results， with 5 mm mesh size calculation results were similar， at the same time， the battery pack structure can meet the strength and vibration characteristics.

Key words： electric vehicle; battery pack; mesh size; finite element

0 引言

近幾年，我國電動汽車市場經歷了快速增長，2019年上半年國內電動汽車保有量達到了344萬輛，動力電池是整輛車的重要核心部件，動力電池的結構安全性非常重要，通過 CAE分析電池包結構強度來優(yōu)化結構是一種重要的研究方法，有限元分析中網格劃分對計算結果的精度和時間成本產生重要影響，因此對于動力電池有限元模型而言，其合理的網格劃分是非常重要的。

對于動力電池的有限元分析，目前已經有很多人開展了研究。王瑞等[1]為了提高有限元數值計算的求解精度及建模效率，分析了移動荷載作用下地基系統(tǒng)的動力響應特點，確定了計算域選取及網格劃分的基本規(guī)則;歐陽威等[2]為了滿足電動汽車電池包箱體高強度、輕量化的設計要求，提出了一種基于數值優(yōu)化與有限元仿真相結合的動力電池包箱體輕量化設計方法;謝暉等[3]針對某款純電動汽車的高強鋼電池包進行了結構改進設計和輕質合金材料替換，然后采用有限元仿真分析方法檢驗了其靜態(tài)性能;戴江梁等[4]基于隨機振動理論與頻域疲勞分析方法，利用有限元軟件構建動力電池包隨機振動疲勞失效分析模型并計算結構的疲勞壽命;秦千富等[5]通過對某車型動力電池包箱體在振動試驗中出現的疲勞斷裂問題進行分析論證，建立了一種新的基于 PSD 試驗譜下的振動疲勞仿真分析方法;王品健等[6]運用 CAE仿真方法對電池包中的不同結構件進行優(yōu)化;岑波等[7]基于正確的有限元仿真分析可以有效地考察電池包箱體和零部件是否滿足機械性能要求;劉立邦等[8]為精確預測電動汽車動力電池包的動態(tài)特性，建立某款電動汽車動力電池包的有限元模型;曾維權等[9]針對某車型動力電池底護板的設計，提出一種基于形貌優(yōu)化設計的方法，得出一個使底護板模態(tài)值最大化的結構設計方案;桑林等[10]運用有限元分析的方法對動力電池箱進行了力學特性分析，建立了與實際結構相似的動力電池箱有限元模型;陶志軍等[11]利用非線性有限元軟件模擬車窗密封條亮條與本體的安裝過程，不同的網格處理方法對結果有著顯著影響。馮建平等[12]采用多種網格單元類型實現固定式起重機在多工況作業(yè)下具有更真實的運動仿真和關鍵結構強度校核。

1 建立合適的動力電池有限元模型

1.1 動力電池有限元模型前處理

1.1.1 幾何模型

動力電池箱體由上箱體、下箱體、電池組組成，電池包幾何模型如圖1所示。首先進行幾何清理，去除對計算結果影響不大的細小結構。理清部件的連接關系。動力電池一共重180 kg ，每個電池模組的重量以質量點形式加載到動力電池箱體上。對原始動力電池模型進行中面提取，同時要對破面、重復面、硬點等幾何問題進行修理，對直徑比較小的倒角、孔、圓角等進行去除。

1.1.2 材料屬性

動力電池下箱體主要結構的材料 Q235鋼，上蓋主要采用 SMC材料，其力學參數如表1所示。

1.1.3 網格劃分及網格質量

（1） 單元類型及網格尺寸

動力電池網格類型主要采用殼單元和體單元。上箱體與下箱體及附件均為鈑金件，并且其厚度方向的尺寸相對于它的長度方向小，采用殼單元進行網格劃分，而個別實體零件結構采用實體單元劃分網格。殼單元注意采用四邊形殼單元進行網格劃分，為了滿足高質量網格的過度需要，采用少量三角形單元，只要三角形網格的數量不超過網格總數量的5%，就不會影響到后續(xù)分析和計算的精度。上下箱體進行網格劃分，因網格密度會影響剛度從而影響計算結果，因為動力電池結構強度主要靠下箱體承載，因此先將下箱體網格密度設為50mm，如能正常計算得到基本合理結果，如圖2所示，把網格密度設為15 mm 、10 mm進行劃分，不同網格尺寸單元節(jié)點數如表2所示，最后選擇合適的網格作為進一步有限元分析網格尺寸。

（2） 單元連接的處理

模擬螺栓的連接不考慮失效問題，采用剛性單元模擬，螺栓穿過不只兩層部件時，要將上下所有層的孔都選擇上。焊點采用剛體單元模擬，兩個焊接件實際上是節(jié)點對節(jié)點通過梁單元連接。如果兩層焊和三層焊應該分兩次打焊點。粘膠的模擬，底板和動力電池有一層粘膠，采用六面體實體單元來模擬，使用共節(jié)點或綁定連接的方式將兩個連接進行連接。對于結構中孔的網格盡量采用六多邊形來劃分網格，而且孔外還應該有一層六邊形網格。

（3） 單元質量

網格的質量影響計算結果精度和計算效率。網格質量存在問題就需要調整網格質量，可采用局部重畫網格，局部網格加細，調整幾何模型邊界線等方法。本次動力電池網格質量的標準如表3所示。最終得到動力電池箱體不同網格尺寸的模型如圖2所示。

1.2 動力電池靜強度與模態(tài)計算

1.2.1 約束與載荷

（1） 工況1。3g加速度下的靜強度計算。固定電池箱體的所有吊耳，給電池箱體加一個3g的加速度。在一些有限元軟件中，加速度施加的方向與地球重力方向相反。

（2） 工況2。自由模態(tài)和約束模態(tài)提取前6階模態(tài)結果。自由模態(tài)計算需要過濾掉剛體模態(tài)結果，約束模態(tài)采用約束吊耳6個自由度。

1.2.2 不同網格尺寸下的兩工況計算結果

由于重力作用，動力電池具有較大重量，下箱體受壓發(fā)生變形，最大應力主要在吊耳位置處，1 階振型主要是彎曲振動。采用50 mm 、15 mm 、10 mm 、5 mm 不同單元尺寸的計算結果如表4所示，可以看到網格對計算結果影響較大，當單元網格尺寸為5mm 時，相對其他幾個單元尺寸的計算結果精度最高，其中網格尺寸為10 mm時，與5 mm時計算結果相差不大，但求解時間卻是10 mm網格尺寸的5倍。

因此選用10 mm網格作為模型基本尺寸的性價比顯得比較高，因為吊耳位置應力最大，選擇吊耳位置進行網格細化，細化為1 mm ，得到網格數量183239。同時注意各部件之間的接觸關系，避免因接觸關系不正確導致的結果異常。

1.3 優(yōu)化后網格的靜強度與模態(tài)計算結果

（1） 3g加速度下的靜力分析結果選擇前述2.2節(jié)中網格劃分方法，得到節(jié)點數247699，單元數183239。對動力電池施加3g加速度，進行求解計算，最終得到位移發(fā)布如圖3所示，下箱體 Z 方向局部最大變形量為0.86 mm ，上箱體最大變形0.95 mm ，滿足設計規(guī)定的底部最大變形量小于3 mm的要求。應力分布如圖4所示，從應力云圖可知，最大應力為50.6 MPa，遠低于下箱體材料的屈服極限235 MPa。

（2）模態(tài)計算結果

下箱體結構第 1 階自由模態(tài) 64 Hz （為彎曲振型），整體箱體結構第 1 階約束模態(tài) 36 Hz （為上箱蓋局部振動）。自由模態(tài)與約束模態(tài)前 6 階頻率值如圖 5所示，其中下箱體自由模態(tài)第 1 階模態(tài)主要為彎曲振型，其體現了動力電池的承載形態(tài)。而整個箱體的約束模態(tài)前 6 階模態(tài)主要是上箱蓋的局部振動，主要原因是箱體相對剛度較低造成的。電動汽車的振動主要來自于路面，一般情況下希望 1 階頻率高于 30 Hz，動力電池的自由模態(tài)或約束模態(tài)下結果滿足 1 階頻率值要求。如圖 6 所示。

2 結束語

本文通過上述計算與分析，得到以下結論：有限元模型的網格尺寸對計算結果有較大影響;有限元模型網格尺寸對網格數量影響極大，即影響著求解時間;模態(tài)計算結果反應了模型整體剛度，網格大則剛度大，頻率高;靜力計算結果反映了局部結構剛度，局部應力集中位置可以加細網格尺寸;結合模態(tài)與靜力計算，來進行網格控制，可以取得良好的計算結果。

參考文獻：

[1] 王瑞，胡志平，任翔，等.5D 有限元建模關鍵問題—邊界條件、網格劃分及計算域選取[J].振動工程學報，2021，34（1）：80-88.

[2] 歐陽威，王麗娟，陳宗渝，等.基于響應面法的動力電池包箱體輕量化優(yōu)化設計[J].機械設計與制造，2021（2）：246-251.

[3] 謝暉，孫延，王杭燕.基于某款純電動汽車的動力電池包結構設計及優(yōu)化[J].塑性工程學報，2020，27（12）：88-96.

[4] 戴江梁，熊飛，劉靜，等.基于某車型動力電池包的隨機振動疲勞分析與結構設計改進[J].機械強度，2020，42（5）：1266-1270.

[5] 秦千富，梁琴桂，周文靜.動力電池包箱體振動疲勞分析及優(yōu)化[J].汽車實用技術，2020，45（16）：13-15.

[6] 王品健，謝暉，王杭燕.純電動汽車動力電池包結構輕量化設計[J].汽車技術，2019（12）：29-33.

[7] 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].電源技術，2020，44（8）：1173-1176.

[8] 劉立邦，周長峰，張家豪.電動汽車動力電池包模態(tài)分析及優(yōu)化[J].山東交通學院學報，2019，27（4）：1-6.

[9] 曾維權，賈迎龍.基于形貌優(yōu)化的動力電池底護板設計[J].機械研究與應用，2019，32（4）：138-139.

[10] 桑林，葉健誠，董晨.電動汽車動力電池箱模態(tài)分析和試驗研究[J].制造業(yè)自動化，2013，35（22）：77-79.

[11] 陶志軍，石麗娜，杜麗偉，等.密封條產品有限元分析中不同網格處理方法對結果的影響研究[J].機電工程技術，2017，46（8）：132-136.

[12] 馮建平，鄭玉卿，方永蘭，等.基于Hypermesh10.0固定式起重機結構仿真模型構建研究[J].機電工程技術，2014，43（11）：69-71.

第一作者簡介：萬長東（1978-），男，遼寧鐵嶺人，副教授，高級工程師，研究領域為新能源汽車設計與開發(fā)。

（編輯：刁少華）