許莎, 陳浩, 楊亞莉, 蔡麗紅

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院,上海 201620)

隨著我國電動汽車的快速發(fā)展,電池包作為電動汽車的核心部件在電動汽車上的應用日益增多,電池包在使用及儲運過程中的安全問題也日益凸顯出來[1]。在激烈的外力作用下,電池包的模組容易起火甚至發(fā)生爆炸,嚴重威脅到司機和乘員的安全。電池包箱體是動力電池的主要載體,對保證整個電池包的安全起著至關重要的作用。因此,對電池包箱體進行動力學分析和結構優(yōu)化,使箱體滿足不同工況下的力學要求,對提高電池包的碰撞安全性具有重要的意義。

近年來,電池包箱體的結構設計和安全性方面的研究逐漸成為熱點。在結構設計方面,國內外的研究主要集中在使用復合材料、輕質合金等輕量化材料對電池包箱體進行輕量化設計或采用尺寸優(yōu)化、拓撲優(yōu)化以及形貌優(yōu)化等優(yōu)化方法對電池包箱體進行結構設計。Hartmann等[2]采用形貌優(yōu)化,在提升箱體固有頻率的基礎上減輕了箱體重量。Wang等[3]提出了綜合考慮靜剛度和動頻率的電池箱體拓撲優(yōu)化方法。Shui等[4-7]以質量、固有頻率和變形為設計目標,對電動汽車電池包箱體進行尺寸優(yōu)化。Zhang等[8]對鋼、鋁、銅和碳納米管等不同電池包箱體的最大等效應力和共振頻率進行了分析,結果表明碳納米管在各方面表現(xiàn)較好。李明秋等[9-10]對電池包箱體上蓋采用形貌優(yōu)化,下箱體采用復合材料優(yōu)化,實現(xiàn)了輕量化設計。冷曉偉[11]通過拓撲優(yōu)化提升了電池包箱體的強度、固有頻率和疲勞壽命。謝暉等[12]對鋁合金一體式電池箱上蓋進行了形貌優(yōu)化,輕量化的同時提高了箱體的剛強度。蘭鳳崇等[13]建立了電池包箱體多材料選材與優(yōu)化設計流程,實現(xiàn)了電池包綜合性能提升。

在安全性研究方面,一般從結構的模態(tài)分析入手,進而討論電池包的振動特性或碰撞條件下的動態(tài)響應,并在此基礎上提高電池包箱體的耐沖擊性能。馮富春等[14]將箱體吊耳的斜面改為直面,從而提升了電池包的抗擠壓性能。李志杰等[15]對機械外力如正碰、側碰及振動沖擊下的電池包安全性能進行仿真分析,并提出了綜合評價電池包安全的方法和指標。李垚坤等[16]對電池包靜剛強度和隨機振動進行分析并提出結構改進方案,增強了結構的剛強度。岑波等[17]對電池包進行擠壓和機械沖擊分析,考察電池包的機械沖擊性能。匡松松等[18]在動力學仿真中引入延性損傷準則,提高了電池包擠壓仿真的準確度。

目前的研究中,對電池包箱體的研究多為對其單一特性的優(yōu)化與驗證,本文綜合考慮電池包在使用和儲運過程中經常出現(xiàn)的跌落和擠壓問題,采用多樣的跌落方式、復雜的擠壓工況分析電池包箱體的動態(tài)響應。針對現(xiàn)用電池包箱體在結構設計上的不足,建立優(yōu)化設計流程,綜合跌落和擠壓工況優(yōu)化電池包箱體的耐撞性和抗擠壓強度,改善電池包箱體安全性能。

1 電池包箱體跌落及擠壓動力學分析

1.1 電池包箱體跌落分析

本文對某電動物流車的動力電池包進行研究。整車總質量245 0 kg,整備質量136 5 kg,最高時速80 km/h,電池總電量38.95 kW·h,設計續(xù)航里程260 km。整個電池包主要由箱體、模組、控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成,安裝在物流車底部,電池模組重327.1 kg,電池包總重386.6 kg。電池包箱體跌落分析的有限元模型如圖1所示。整個模型共803 663單元,模組采用六面體實體單元,箱體選用四邊形殼單元。電池包上下箱體螺栓連接孔剛性連接,模組與電池包下箱體采用共節(jié)點連接。為了防止各部件間發(fā)生相互穿透,電池包箱體設置自接觸[19],電池包下箱體與剛性地面設置面接觸。

箱體材料為普通碳素結構鋼,采用Johnson-Cook材料模型,包含應力硬化、應變率的影響[20]。模組定義為彈性材料。箱體和模組的材料基本參數如表1所示。

表1 材料基本參數Tab.1 Basic parameters of materials

1.1.1 電池包箱體不同高度跌落分析

分別對電池包箱體在不同跌落高度和不同跌落角度下的工況進行了跌落沖擊仿真。結合試驗標準[21]以及電池包在運輸過程中可能出現(xiàn)的跌落高度,選取了5個高度h進行分析,h分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m。為了節(jié)約計算時間,將高度直接換算成觸地時的速度,5個跌落高度對應的速度分別為3.96、4.20、4.43、4.64、4.85 m/s。為防止在初始計算時箱體和地面已經接觸并發(fā)生相互作用,計算時電池包的離地高度設置為2 mm[22]。圖2是h分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m跌落時與地面接觸瞬間的最大等效應力。從圖2可以看出,當高度為0.8 m時,最大等效應力是325.5 MPa,當跌落高度為1.2 m時,最大等效應力是331.1 MPa,后者比前者增大了1.72%。電池包箱體最大等效應力雖然隨著跌落高度的變大而增大,但變化趨勢緩慢。因此在0.8 m到1.2 m的跌落高度范圍內,跌落高度對最大等效應力的影響不明顯。

在進行大變形和沖擊分析時,由于離散單元的局限性,通過等效應力考察結構的失效往往數值偏大,而工程應用中有效塑性應變是考察大變形和沖擊時的有效指標[23]。不同跌落高度下,電池包箱體受到的沖擊載荷不同,因此具有不同的有效塑性應變[24]。所有跌落高度的有效塑性應變最大值都位于下箱體底部凸起處,與地面直接接觸的位置。對應于跌落高度h分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m時的有效塑性應變分別為0.085 75,0.096 25,0.106 8, 0.116 3, 0.126 6。可以看出,不同跌落高度下最大有效塑性應變均大于安全容限0.03,箱體結構強度不足,有可能在跌落時遭到嚴重的破壞。1.2 m時最大有效塑性應變比0.8 m時增大了47.64%,因此跌落高度對有效塑性應變影響很大。

1.1.2 電池包箱體不同角度跌落分析

本文基于實際儲運過程中電池包箱體可能的跌落角度設計了1 m高度跌落時4個不同跌落角度α的接觸沖擊分析,α分別為5°、10°、15°和20°。圖3所示為不同角度下電池包箱體的等效應力分布情況。由于等效應力是由電池包箱體觸地時刻速度以及與地面接觸面積決定,因此4個跌落角度下的最大等效應力發(fā)生在不同時刻。

圖3 不同跌落角度的等效應力Fig.3 Equivalent stress at different drop angles

從圖3可以看出,最大等效應力隨跌落角度的增大而減小,跌落角度α=5°時的最大等效應力是331.6 MPa,跌落角度α=20°時的最大等效應力是326.7 MPa,相差4.9 MPa,變化幅度不大。因此,在α=20°的范圍內,跌落角度對最大等效應力并沒有多大影響,表明跌落角度不太可能導致等效應力驟然增大。

電池包箱體在α分別為5°、10°、15°和20°跌落下的最大有效塑性應變分別為0.240 2,0.225 1, 0.211 3,0.189 0。最大有效塑性應變基本都位于與地面接觸的箱體底部。跌落角度α=5°時的有效塑性應變最大,是角度跌落的較薄弱工況。跌落角度α=20°的有效塑性應變最小,比5°的有效塑性應變減小了20.83%,說明跌落角度對有效塑性應變有顯著影響[25]。

1.2 電池包箱體擠壓分析

1.2.1 等效應力和有效塑性應變

本文對電池包箱體橫向和豎向擠壓兩種方式進行動態(tài)分析。擠壓板采用剛性材料模擬,假設擠壓過程不發(fā)生彈塑性變形。無限大的剛性平面位于電池包箱體的底面及側面。電池包箱體不同方向的擠壓分析模型如圖4所示。

圖4 電池包箱體擠壓模型Fig.4 Extrusion model of a battery pack box

國家標準規(guī)定在100 kN的擠壓力下,電池包不能起火和爆炸。因此需要對擠壓板達到100 kN擠壓力時電池包的變形狀態(tài)[26]進行重點查看。4個擠壓工況下的等效應力如圖5所示。橫向擠壓時,擠壓板直接作用于吊耳處,導致應力最大值極易出現(xiàn)在吊耳處,豎直擠壓下,受力方向上的面較易出現(xiàn)應力集中。

圖5 電池包箱體擠壓分析的等效應力Fig.5 Equivalent stress of battery pack box extrusion

由圖5可知,4種擠壓工況下,Y向橫向擠壓時電池包箱體的應力值是286.2 MPa,此時的最大等效應力最小;X向橫向擠壓時電池包箱體的應力值是313.3 MPa,此時的最大等效應力最大。不同擠壓工況對等效應力的影響較小,X向橫向擠壓時箱體較為薄弱。電池包箱體X向橫向、X向豎直、Y向橫向及Y向豎直擠壓4種工況下的最大有效塑性應變分別為1.235,0.836 7,0.640 5,1.453,大于安全容限0.03,電池包箱體總體的有效塑性應變過大,說明電池包箱體的強度不足,極易在擠壓工況下產生撕裂現(xiàn)象。

1.2.2 吊耳侵入量

本文分析4種擠壓工況對吊耳侵入量的影響,吊耳變形如圖6所示。

圖6 吊耳變形Fig.6 Deformation of lifting lug

由圖6可以看出,吊耳的變形量很大,說明在擠壓工況下,吊耳對碰撞能量吸收貢獻很大。擠壓工況中,吊耳對電池包箱安全性能有較大影響,而過大的吊耳侵入量會導致電池包箱體過早出現(xiàn)變形[27],威脅模組安全。X向橫向、X向豎直、Y向橫向及Y向豎直擠壓4種工況下,吊耳侵入量分別為19.1 mm、13.1 mm、11.6 mm、13.2 mm。X向橫向擠壓吊耳侵入量最大,Y向橫向擠壓時吊耳侵入量最小。最大吊耳侵入量比最小侵入量多64.7%,過大的吊耳變形量說明電池包箱體抗擠壓能力不足。

1.2.3 下箱體侵入量

判斷模組是否受到擠壓,主要的評價參數是下箱體侵入量。為保護模組安全,一般要求下箱體最大侵入量小于受力方向模組與箱體的原距離。本文的電池包模型,X向擠壓的安全距離是16.9 mm,Y向擠壓的安全距離為48.3 mm。圖7為下箱體在4種擠壓工況下的變形云圖。

從圖7可以發(fā)現(xiàn),豎直擠壓工況下高變形區(qū)域比橫向擠壓工況小,但最大變形量比橫向擠壓工況要大,說明豎直擠壓工況更容易壓潰箱體。X向橫向和X向豎直擠壓的最大侵入量分別為19.2 mm和20.3 mm,最大值都大于X向的安全距離16.9 mm,其中X豎直擠壓時安全隱患最大,超出安全距離20.1%。Y向橫向和Y向豎直擠壓的最大侵入量分別為41.3 mm和51.7 mm,Y向橫向擠壓侵入量小于安全距離48.3 mm,Y向豎直擠壓侵入量大于安全距離7%?？紤]4種工況下的侵入情況,本文現(xiàn)用電池包箱體不符合安全要求。

2 電池包箱體多目標優(yōu)化

2.1 電池包箱體跌落優(yōu)化設計

分析電池包跌落仿真中的等效應力和有效塑性應變,可以發(fā)現(xiàn)電池包箱體強度的薄弱點大都位于電池包下箱體的底部。因此,本文選取上箱體厚度和下箱體厚度作為優(yōu)化設計變量,通過改變箱體尺寸參數增強電池包箱體強度?？紤]到電池包箱體材料的工藝以及鈑金件的加工要求,上箱體和下箱體厚度的設計范圍為1～3 mm。以等效應力、有效塑性應變、重量最小化為目標,以電池包箱體跌落分析中的易破壞區(qū)域應力和有效塑性應變?yōu)榧s束,建立優(yōu)化模型。利用HyperStudy結構優(yōu)化求解器,在現(xiàn)有的電池包箱體結構上開展優(yōu)化設計,定義25次計算,觀察每次計算變量和對應響應量的值,選擇最佳參數組合。跌落優(yōu)化前后的結果對比如表2所示。

表2 跌落優(yōu)化前后對比Tab.2 Comparison before and after drop optimization

由表2可知,為了提高電池包箱體耐撞性能,通過增加下箱體厚度到2.97 mm以及上箱體厚度減小到1.2 mm,使電池包箱體的最大有效塑性應變減小了20.8%,最大等效應力和總重量略有降低,提升了電池包箱體的跌落碰撞性能。

2.2 電池包箱體擠壓優(yōu)化設計

為了增加吊耳在變形時吸收的能量,減緩沖擊,擠壓優(yōu)化中選取上箱體厚度、下箱體厚度和吊耳厚度作為設計變量,考慮到電池包箱體材料的工藝以及鈑金件的加工要求,上箱體和下箱體厚度的設計范圍為1～3 mm,吊耳厚度的設計范圍是1～4 mm。擠壓優(yōu)化設計以等效應力、有效塑性應變、侵入量最小化為研究目標,結合電池包箱體擠壓分析中的薄弱區(qū)域為約束條件,建立擠壓優(yōu)化模型,得到擠壓優(yōu)化前后結果對比如表3所示。

表3 擠壓優(yōu)化前后對比Tab.3 Comparison before and after extrusion optimization

由表3中可知,下箱體侵入量為16.31 mm,比優(yōu)化前20.3 mm降低了19.7%,維持在安全距離以下,很好的增強了模組的安全性能。最大有效塑性應變降低7.5%,最大等效應力減小了0.7%,優(yōu)化方案能有效降低響應量,提高電池包箱體安全性能。

2.3 電池包箱體優(yōu)化結果

根據電池包箱體跌落工況優(yōu)化得到上箱體厚度1.2 mm、下箱體厚度2.97 mm,根據電池包箱體擠壓工況優(yōu)化得到上箱體厚度1.43 mm、下箱體厚度2.73 mm和吊耳厚度3.85 mm。為了滿足兩種工況要求,同時提高電池包箱體安全性,取上箱體厚度1.43 mm、下箱體厚度2.97 mm以及吊耳厚度3.85 mm?？紤]到鈑金件的工藝要求,調整箱體結構參數為上箱體厚度1.5 mm、下箱體厚度3 mm、吊耳厚度4 mm。根據優(yōu)化后的結構參數對電池包箱體的動力學特性進行分析。

2.3.1 優(yōu)化后電池包模態(tài)分析

優(yōu)化前后電池包前10階固有頻率的對比情況如表4所示。從表4可以看出,優(yōu)化后電池包的前10階固有頻率有明顯改善。優(yōu)化后電池包的1階頻率37 Hz與優(yōu)化前的1階頻率22.2 Hz相比增大了14.8 Hz,高于路面的激勵頻率21 Hz,能夠避免電池包共振現(xiàn)象的發(fā)生。

表4 電池包前10階固有頻率

2.3.2 優(yōu)化后電池包箱體跌落分析

尺寸優(yōu)化后電池包箱體跌落響應以最大等效應力和最大有效塑性應變作為優(yōu)化評價標準。電池包箱體跌落分析的等效應力和有效塑性應變情況如圖8所示。從圖8a)可知,等效應力最大值為328.3 MPa,比較未優(yōu)化時等效應力最大值331.6 MPa,最大等效應力略有下降。由圖8b)可知,有效塑性應變最大值0.19相比優(yōu)化前的0.24降低了20.8%,因此電池包箱體跌落工況時的安全性能得到了改善。

圖8 電池包箱體跌落云圖Fig.8 Contours of battery pack box drop

2.3.3 優(yōu)化后電池包箱體擠壓分析

圖9所示為優(yōu)化后電池包箱體的等效應力以及下箱體的位移云圖。

圖9 電池包箱體擠壓云圖Fig.9 Contours of battery pack box extrusion

從圖9a)可知,等效應力最大值為300 MPa,比優(yōu)化前的等效應力最大值301.2 MPa略有減少。優(yōu)化后的有效塑性應變最大值為0.68,相比優(yōu)化前的0.8,優(yōu)化后有效塑性應變降低15%,提高了箱體強度。由圖9b)可知,最大侵入量為16.2 mm,相比優(yōu)化前的20.3 mm,優(yōu)化后侵入量降低20.2%,小于安全距離16.9 mm,達到電池包箱體擠壓標準要求。

2.4 電池包跌落試驗

按國家標準[21]要求,蓄電池沿Z軸方向從1 m高度處自由跌落到水泥地面上,觀察2 h?？紤]到實際儲運或安裝過程中可能的跌落角度5°,試驗跌落高度為電池包傾斜5°時最低點至水泥地面的距離。

將優(yōu)化后的電池包以1C充放電至廠家規(guī)定的截止條件并分別靜置30 min,進行預處理,如圖10所示。

圖10 預處理Fig.10 Pretreatment

然后,將電池包提升到1 m處并傾斜5°,松開電池包讓其自由落體撞擊地面。跌落試驗通過觀察試驗過程中電池包有無電解液泄露著火或爆炸現(xiàn)象判斷其安全性能,試驗結果如圖11所示。從圖11可以看出,跌落試驗過程中并沒有發(fā)生電解液泄露或者爆炸起火現(xiàn)象,電池包箱體底部的變形較小,試驗結果滿足跌落標準的要求。

圖11 跌落試驗Fig.11 Drop Test

3 結論

1) 通過探討不同跌落高度(0.8、0.9、1、1.1、1.2 m)和不同角度(5°、10°、15°、20°)對箱體動態(tài)響應的影響,發(fā)現(xiàn)有效塑性應變對高度和角度參數敏感程度很高,且最大值都位于下箱體底部,表明下箱體底部為跌落工況的薄弱區(qū)域,下箱體容易發(fā)生強度破壞。

2) 通過分析X向橫向、X向豎直、Y向橫向及Y向豎直4種擠壓工況下電池包箱體的動態(tài)響應,發(fā)現(xiàn)X向橫向、X向豎直及Y向豎直擠壓工況下侵入量都高于電池包擠壓安全要求,表明電池包箱體的結構強度不足,存在著壓潰現(xiàn)象。

3) 通過多目標尺寸優(yōu)化,綜合考慮跌落和擠壓工況,對電池包箱體進行了結構優(yōu)化設計。對比初始動態(tài)特性,優(yōu)化后,電池包1階固有頻率顯著提高,有效的避免了路面和臺架試驗的振動頻率。跌落工況有效塑性應變降低了20.8%,擠壓工況侵入量和有效塑性應變分別降低了20.2%和15%,表明電池包的跌落和擠壓安全性能在優(yōu)化后得到了明顯的提升。