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嘉峪檢測網 2024-09-29 12:24
摘要：動力電池箱體作為動力電池系統(tǒng)的最關鍵的承重部件，其結構穩(wěn)定性對整車運行至關重要。文章通過理論分析與有限元仿真分析相結合，詳細研究了箱體材料厚度、箱體零件結構以及有無加強板三個方面對箱體局部應力的影響規(guī)律以及作用機理。通過HyperMesh 軟件進行有限元仿真分析，得到四組局部應力產生位置以及局部應力數值。對比分析數據，總結出工程項目中有效降低箱體局部應力的方向：合理的結構設計以及局部應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力而且能有效地將應力傳遞出去。文章最后通過對優(yōu)化后的電池箱體進行振動試驗，試驗結果證明了降低局部應力的優(yōu)化方向、箱體結構優(yōu)化設計的有效性和合理性，為后續(xù)車載電池箱體結構優(yōu)化設計提供了一定的參考依據。
關鍵詞：電池箱體；局部應力；HyperMesh；應力仿真；箱體結構優(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，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標準要求[1]。電池箱體作為一個承載電芯以及電氣件的零部件，通過箱體兩側的吊耳掛載在車輛底盤上，在車輛行駛過程中受到多種復雜多變的作用力，可能引起局部區(qū)域出現較大的應力集中，影響其結構穩(wěn)定性和使用壽命[2-3]。為避免動力電池箱體因局部應力集中導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、箱體結構不同及有無內部加強板三個方面進行電池箱體設計。并借助計算機仿真技術，采用HyperMesh 軟件建立合適的模型和加載條件，對動力電池箱體進行應力仿真分析。結合材料力學知識、結構優(yōu)化理論[4]以及試驗驗證結果，有針對性地提供箱體結構優(yōu)化方向，系統(tǒng)分析減小動力電池箱體局部應力的方法[5]，快速縮短設計周期以及大量節(jié)約產品的開發(fā)成本，對工程技術中新產品的開發(fā)具有重要意義[6-7] 。
1、 動力電池系統(tǒng)及電池箱體設計
1.1 動力電池系統(tǒng)設計
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，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 電池箱體設計
電池箱體由前箱體內部梁、后箱體內部梁、左箱體內部梁、右箱體內部梁、模組支撐板、箱內加強板等通過電阻點焊和CO2 氣體保護焊兩種焊接工藝，焊接成一個封閉結構件，該封閉結構置于箱體外殼體內，通過電阻點焊與箱體外殼體焊接成型，六個吊耳采用CO2 氣體保護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準要求的箱體設計詳圖來展示箱體各個部件的名稱，如圖2 所示。
圖2 電池箱體結構
本設計中箱體外殼體材質DC04，厚度1.0 mm。各箱體內部梁材質SAPH440，厚度1.5 mm。箱內加強板材質SAPH440，厚度1.5 mm。吊耳材質SAPH440，厚度3.0 mm。
2、 電池箱體局部應力評估標準
2.1 材料應力及開裂理論基礎
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生變形，當外力去除后變形完全消失的現象稱為彈性變形。當外力去除后變形不能完全消失的現象稱為塑性變形。當應力超過彈性極限后，變形增加較快，材料進入屈服階段，此時除了產生彈性變形外，還產生部分塑性變形。當應力持續(xù)增加到一定數值后，塑性應變急劇增加，應力應變曲線出現一個波動的小平臺，這種現象稱為屈服。開始出現屈服現象時的應力值，稱為屈服強度（σs 或σ0.2），以它作為材料抵抗外力的指標[8]。應力超過材料屈服極限后產生頸縮，應變增大，使得材料破壞（本文中指箱體開裂）。
2.2 應力評估標準
根據《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)進行振動試驗，應無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現象”。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，會出現局部應力集中現象，局部應力最大值在超過材料屈服強度時，箱體應力集中部位產生疲勞裂紋，在進行振動試驗后，箱體該部位開裂[9]。為了避免局部應力集中問題導致的箱體開裂，本文在多個工程項目有限元仿真分析結果與振動試驗結果對照中，結合材料力學性能，形成的局部應力評估標準：局部應力最大值＜材料屈服強度/安全系數，根據工況、測試條件和質保年限不同，安全系數取1.2～1.5 不等，本文中安全系數取1.5。
箱體外殼材質DC04，材料屈服強度150 MPa，局部應力最大值評估標準小于100 MPa。箱體內部梁、箱內加強板及吊耳材質SAPH440，材料屈服強度 389 MPa，局部應力最大值評估標準小于259 MPa。
3、 電池箱體局部應力影響因素
3.1 電池箱體內部梁材料厚度
箱體內部梁承載著模組的重量，是箱體內關鍵承重零件。為了探究箱體內部梁材料厚度對箱體內部梁及箱體外殼體局部應力的影響，本動力電池箱體采用箱體結構方案一：后箱體內部梁有較大面積的下沉，下沉處與箱體外殼體通過電阻點焊連接，箱體結構方案一如圖3 所示。在有限元仿真軟件HyperMesh 中建立有限元模型，結構采用殼網格的方式離散和實體單元離散，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識焊縫和焊點，六面體單元兩側的節(jié)點通過Rbe3 單元和對應的零件連接到一起[10]。經仿真計算得到后箱體內部梁局部應力最大值出現在1P8S 模組固定孔處，箱體外殼體的局部應力最大值出現在箱體外殼體上1P8S 模組固定孔延展方向的溝槽處，應力最大值第一組數據分別為446.68 MPa 和141.35 MPa，不滿足小于259 MPa和小于100 MPa 的評估標準。后箱體內部梁（厚度1.5 mm）及箱體外殼體應力分布云圖如圖4 所示。
圖3 箱體結構方案一
圖4 后箱體內部梁（1.5 mm）及箱體外殼體應力分布云圖
依據應力計算公式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，從而達到降低后箱體內部梁局部應力的目的，本文在箱體各部件結構不變的情況下，僅將后箱體內部梁材料厚度由1.5 mm 增加至2.0 mm，同時重量增加1.5 kg，再次仿真計算，得到后箱體內部梁和箱體外殼體的局部應力最大值出現位置沒有改變，但數值上有所減小，應力值最大第二組數據分別為354.66 MPa 和114.56 MPa，不滿足評估標準。后箱體內部梁（厚度2.0 mm）及箱體外殼體應力分布云圖如圖5 所示。第一和第二組數據統(tǒng)計如表1 所示。
表1 后箱體內部梁厚度不同仿真應力結果對比
圖5 后箱體內部梁（2.0 mm）及箱體外殼體應力分布云圖
對比后箱體內部梁厚度1.5 mm 和2.0 mm 的局部應力最大值第一組和第二組數據可知：應力最大值隨材料厚度增加有所減低，但依然不滿足標準要求，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度的箱體并不是最優(yōu)方案。
3.2 電池箱體內部梁結構
為了探究箱體內部梁結構對箱體局部應力的影響，結合箱體設計方案一的仿真結果顯示應力值最大出現的位置，在本動力電池系統(tǒng)設計不變（箱體內各零件布置如圖1 所示）、箱體外殼體及吊耳等部件的結構不變的前提下，電池箱體設計增補箱體結構方案二，與箱體結構方案一的區(qū)別僅在于后箱體內部梁的結構不同。方案一后箱體內部梁有較大面積的沉臺，沉臺用于與箱體外殼體的點焊焊接。方案二則減少沉臺面積，僅在靠近模組固定孔一側設置兩處焊接沉臺，靠近箱體外殼體處均設置成加強筋結構，目的是將后箱體內部梁上的部分應力通過自身加強筋的彈性變形吸收掉，部分通過箱體外殼體傳遞給吊耳。箱體結構方案二如圖6 所示，經仿真分析，得到后箱體內部梁和箱體外殼體的局部應力最大值出現位置沒有改變，但應力最大值有所降低，得到第三組數據，分別為281.99 MPa 和100.82 MPa，后箱體內部梁（結構變更）及箱體外殼體應力分布云圖如圖7 所示。第一和第三組數據統(tǒng)計如表2 所示。
表2 后箱體內部梁結構不同仿真應力結果對比
圖6 箱體結構方案二
圖7 后箱體內部梁（結構變更）及箱體外殼體應力分布云圖
對比第一組和第三組數據，可知在后箱體內部梁結構上合理的設計加強筋，能有效的利用加強筋自身的彈性變形吸收部分應力，通過后箱體內部梁與箱體外殼體焊接能將部分應力傳遞出去，以達到減小局部應力的作用，保證箱體強度的目的。
3.3 箱內加強板
在分析第三組數據發(fā)現，后箱體內部梁的局部應力最大值為281.99 MPa，依然高出評估標準，且應力最大值僅出現在1P8S 模組固定孔處，從應力計算公式出發(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，即在后箱體內部梁背面、模組固定孔下方電阻點焊一個箱內加強板，即本文開頭展示的最終版箱體結構（見圖2）。經仿真分析，得到后箱體內部梁和箱體外殼體的局部應力最大值有較大程度降低，得到第四組數據，分別為216.68 MPa 和99.90 MPa，后箱體內部梁（箱內加強板）及箱體外殼體應力分布云圖（見圖8）。第三和第四組數據統(tǒng)計如表3 所示。
表3 有無箱內加強板仿真應力結果對比表
圖8 后箱體內部梁（箱內加強板）及箱體外殼體應力分布云圖
對比第三組和第四組數據，可知在局部應力最大值出現的孔洞處背面焊接加強板，能有效減小應力值，也是箱體重量增加最少且改善局部應力集中的最有效手段之一。
為驗證上述箱體改善方案是否有效，最終版箱體設計是否滿足標準要求，本動力電池系統(tǒng)進行振動試驗，在經過12 h 的隨機振動和頻率為24 Hz 正弦定頻振動1 h 試驗后，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：往箱體內充氣，直至箱內壓強達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)振動試驗后泄氣值測試結果為41 Pa，故可判定箱體外殼體局部應力最大值處無開裂。對振動試驗后的動力電池系統(tǒng)進行拆箱，經目視檢測，可判定后箱體內部梁局部應力大值處無開裂，如圖9 所示。
圖9 振動試驗后箱內裂紋檢測
4、結論
本文通過對一款動力電池箱體結構的多維度優(yōu)化，并使用有限元仿真軟件HyperMesh 對各維度的電池箱體進行應力仿真，對比分析數據，并得到優(yōu)化方向。最終通過振動試驗驗證最終版箱體的強度滿足標準要求。通過優(yōu)化過程得出以下結論：
1）工程項目中通過整體增加箱體材料厚度來改善箱體局部應力的效益不是最優(yōu)。
2）欲減小箱體的局部應力，需要考慮箱體的結構，通過合理的加強筋結構，吸收部分應力。同時要考慮應力的傳遞途徑，金屬部件之間通過焊接，將部分應力傳遞到強度高、應力集中小的部件上。
3）通過在局部應力集中處焊接加強板來增加應力集中處材料厚度，能最優(yōu)化改善箱體應力集中現象。
來源：期刊：《汽車實用技術》 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
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