新能源汽車(chē)動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)輕量化開(kāi)發(fā)

新能源汽車(chē)動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)輕量化開(kāi)發(fā)華南理工大學(xué)蘭鳳崇教授動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)輕量化開(kāi)發(fā)思路與方案車(chē)載工況對(duì)電池包安全性的影響碰撞動(dòng)力電池的竄動(dòng)、擠壓、短路、開(kāi)裂、漏電、熱沖擊、爆炸、燃燒等復(fù)雜路面動(dòng)力學(xué)環(huán)境耦合引發(fā)應(yīng)力損傷、高壓漏電、電觸點(diǎn)失效等安全問(wèn)題隨機(jī)激勵(lì)電池包可能先于車(chē)身車(chē)架等其他機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損壞開(kāi)展車(chē)載環(huán)境下，以電池系統(tǒng)安全性和可靠性為約束的輕量化研究具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。因此車(chē)載復(fù)雜工況下的電池包安全與可靠性約束性環(huán)境溫度載荷、高濕度水汽凝結(jié)、材料性能老化等服役環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)的復(fù)雜安全性認(rèn)識(shí)不足動(dòng)力電池包的設(shè)計(jì)研發(fā)對(duì)車(chē)載環(huán)境考慮不足實(shí)際產(chǎn)品不能完全滿(mǎn)足車(chē)輛使用環(huán)境需求的現(xiàn)象不完善動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)輕量化開(kāi)發(fā)思路與方案電池系統(tǒng)輕量化、緊湊化指標(biāo)要求電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料性能建模電池單體試驗(yàn)及等效力學(xué)模型電池模組、連接結(jié)構(gòu)性能電池殼體的結(jié)構(gòu)材料和成型工藝分析電池系統(tǒng)與車(chē)體和懸置結(jié)構(gòu)分析模型建模仿真與驗(yàn)證，給出多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化方案正常載荷工況下可靠、安全、熱流場(chǎng)約束極限工況，如：碰撞、翻車(chē)等可靠和安全約束輸出優(yōu)化方案達(dá)到目標(biāo)和性究能指標(biāo)，形成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方案動(dòng)力電池單體力學(xué)試驗(yàn)與模型建立單體電池?cái)D壓力學(xué)試驗(yàn)電池?cái)D壓仿真分析與失效參數(shù)反求整體平面擠壓試驗(yàn)局部球頭擠壓試驗(yàn)卷芯整體擠壓試驗(yàn)卷芯材料性能試驗(yàn)單體電池有限元建模電池?cái)D壓仿真分析內(nèi)部失效因素分析反求內(nèi)部短路失效參數(shù)銅箔的失效模式鋁箔的失效模式隔膜的失效模式不同電池的本構(gòu)關(guān)系小球頭擠壓仿真結(jié)果動(dòng)力電池單體力學(xué)試驗(yàn)與模型建立擠壓位置的影響13254擠壓位置分布及電池的變形結(jié)果擠壓位置不同，短路時(shí)刻和峰值力都不相同，越靠近電池邊緣或者角落的位置，電池的承載局部載荷的能力越差，力突變點(diǎn)出現(xiàn)的越早證明越容易發(fā)生短路。不同擠壓位置對(duì)應(yīng)的力-位移曲線(xiàn)動(dòng)力電池單體力學(xué)試驗(yàn)與模型建立電池內(nèi)芯的均質(zhì)化內(nèi)芯的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)內(nèi)芯的本構(gòu)方程電池的擠壓仿真分析采用LS-DYNA進(jìn)行，經(jīng)過(guò)分析比較后，選擇#63各向同性可壓縮泡沫材料模型。經(jīng)過(guò)上述分析，得出內(nèi)芯材料具有典型的低平臺(tái)應(yīng)力泡沫材料屬性，并將其簡(jiǎn)化為均質(zhì)各向同性泡沫材料。電池內(nèi)芯的均質(zhì)化電池模型的構(gòu)建擬合曲線(xiàn)試驗(yàn)曲線(xiàn)擬合內(nèi)芯本構(gòu)方程動(dòng)力電池單體力學(xué)試驗(yàn)與模型建立大球頭擠壓仿真結(jié)果小球頭擠壓仿真結(jié)果球頭擠壓電池失效內(nèi)芯疊層破裂電池?cái)D壓仿真分析表征電池內(nèi)部短路的失效參數(shù)值：TSC=20MPa,εf=0.18通過(guò)反求的方法得出了表征電池內(nèi)部短路的失效參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)證，該參數(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池發(fā)生內(nèi)部短路的時(shí)刻。局部擠壓仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建立的本構(gòu)方程和有限元模型的有效性。所建立的內(nèi)部短路失效判斷準(zhǔn)則對(duì)于后續(xù)碰撞仿真分析有重要的幫助?；谂鲎舶踩妮p量化電池包設(shè)計(jì)單體電池有限元模型電池模組有限元模型電池包整體有限元模型電動(dòng)車(chē)整車(chē)有限元模型移動(dòng)壁障有限元模型整車(chē)側(cè)面碰撞仿真有限元模型電池包外部結(jié)構(gòu)有限元模型建模整車(chē)正面碰撞仿真分析仿真動(dòng)力電池系統(tǒng)的碰撞安全性評(píng)估提出動(dòng)力電池包碰撞安全性評(píng)估方法（DSA評(píng)價(jià)體系）加速度大?。ˋcceleration）應(yīng)力值(Stress)變形侵入量(Displacement)評(píng)價(jià)優(yōu)化電池模組結(jié)構(gòu)優(yōu)化電池包外殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)路線(xiàn)底部穿刺碰撞仿真分析整車(chē)側(cè)面碰撞仿真分析基于碰撞安全的輕量化電池包設(shè)計(jì)整車(chē)碰撞仿真分析側(cè)面剛性柱撞位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm0ms15ms30ms45ms60ms75ms90ms100ms側(cè)面剛性柱撞不同時(shí)刻電池包位移云圖正面100%剛性壁碰撞基于碰撞安全的輕量化電池包設(shè)計(jì)合理的評(píng)價(jià)方法系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系碰撞工況的全面性合理的評(píng)價(jià)模型建立合理的評(píng)價(jià)方法必要因素加速度動(dòng)應(yīng)力加速度極值與分布影響著電池包內(nèi)部電連接處的可靠性動(dòng)應(yīng)力表征著碰撞過(guò)程中電池包結(jié)構(gòu)損傷及破壞危險(xiǎn)程度變形量變形量可以反應(yīng)碰撞過(guò)程中電池包結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)價(jià)指標(biāo)理想的電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免應(yīng)力集中、應(yīng)力極值過(guò)大、各處觸點(diǎn)加速度分布極不均勻、內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置不合理導(dǎo)致碰撞時(shí)發(fā)生電短路等缺陷，以保證在長(zhǎng)期車(chē)載工況下的結(jié)構(gòu)安全性。碰撞工況評(píng)價(jià)模型涵蓋正面100%剛性壁碰撞和側(cè)面剛性柱碰撞兩種工況融合了模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法吊耳應(yīng)力前壓桿彎曲變形量螺釘應(yīng)力箱體變形量模組加速度基于振動(dòng)安全的輕量化電池包設(shè)計(jì)技術(shù)路線(xiàn)基于振動(dòng)安全的輕量化電池包設(shè)計(jì)理論實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊力使得裝配完成時(shí)存在預(yù)應(yīng)力場(chǎng)，預(yù)應(yīng)力場(chǎng)會(huì)影響固有頻率各個(gè)組件之間定義接觸關(guān)系，存在非線(xiàn)性邊界。但當(dāng)接觸狀態(tài)趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)剛度矩陣不再變化，可以近似為線(xiàn)性結(jié)構(gòu)而采用線(xiàn)性計(jì)算組合裝配體接觸模態(tài)的特殊性預(yù)應(yīng)力場(chǎng)附加剛度陣考慮預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)通過(guò)控制接觸剛度逼近真實(shí)狀態(tài)優(yōu)化接觸參數(shù)電池包精細(xì)化動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)路線(xiàn)單體電池力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證單體等效力學(xué)模型殼體模態(tài)試驗(yàn)殼體模態(tài)仿真對(duì)比驗(yàn)證裝配體模態(tài)求解裝配體模態(tài)試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)分析對(duì)比驗(yàn)證接觸邊界條件確定數(shù)值方法試驗(yàn)方法電池外部件裝配關(guān)系電池包基于振動(dòng)安全的輕量化電池包設(shè)計(jì)沖擊工況下的位移變化沖擊過(guò)程各觸點(diǎn)應(yīng)力變化沖擊過(guò)程觸點(diǎn)最大應(yīng)力位置響應(yīng)呈周期性變化，振動(dòng)形態(tài)與一階約束模態(tài)振型相接近。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在20號(hào)觸點(diǎn)位置。半正弦波沖擊工況的引起交變應(yīng)力環(huán)境比穩(wěn)態(tài)工況更惡劣基于振動(dòng)安全的輕量化電池包設(shè)計(jì)分析結(jié)果-加速度響應(yīng)激振方向加速度RMS最大值/g及（觸點(diǎn)號(hào)）加速度RMS最小值/g（觸點(diǎn)號(hào)）區(qū)間分布（%）[0-5g][5-10g][10-15g][15-20g]X2.8（17）0.7（6）100***Y4.8（12）1.4（32）100***Z18.9（12）1.8（22）25282522穩(wěn)態(tài)工況同一方向激勵(lì)下不同位置觸點(diǎn)的加速度響應(yīng)差異很大，呈現(xiàn)很強(qiáng)的不均勻性，可見(jiàn)電池組整體模態(tài)對(duì)觸點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響很大，響應(yīng)在模態(tài)的頻率點(diǎn)被放大瞬態(tài)工況時(shí)域交變曲線(xiàn)，瞬時(shí)響應(yīng)值比穩(wěn)態(tài)下大很多頻譜分析基于振動(dòng)安全的輕量化電池包設(shè)計(jì)使用過(guò)程中的機(jī)械承受避免應(yīng)力集中、極值過(guò)大，超越材料的屈服極限，導(dǎo)致突然斷裂或者長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力腐蝕功能的長(zhǎng)期一致性例如內(nèi)部觸點(diǎn)動(dòng)力學(xué)環(huán)境的均勻性，避免極值多大引起偶發(fā)故障，避免分布不均造成整體一致性變差滿(mǎn)足疲勞壽命需求不僅包括機(jī)械結(jié)構(gòu)上的壽命，也包括電連接、電池模組等電組件和熱組件的工作壽命要求安全性為前提下的輕量化以提高電池包整體比能量為目的的輕量化；保證在不降低電性能、熱性能、結(jié)構(gòu)安全性能為前提下的多目標(biāo)優(yōu)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1不同位置觸點(diǎn)的應(yīng)力、加速度差異很大，動(dòng)力學(xué)環(huán)境不一致性強(qiáng)2電池包整體模態(tài)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響很大，響應(yīng)在共振點(diǎn)被放大1瞬態(tài)沖擊等極端行駛條件下的動(dòng)力學(xué)傷害往往大于穩(wěn)態(tài)工況隨機(jī)振動(dòng)與沖擊條件下電池包動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析基于振動(dòng)安全的輕量化電池包設(shè)計(jì)有m個(gè)方案，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。建立原始數(shù)據(jù)矩陣無(wú)量綱、歸一化處理計(jì)算各指標(biāo)差異化系數(shù)計(jì)算各指標(biāo)熵權(quán)計(jì)算各個(gè)方案的評(píng)價(jià)值指標(biāo)體系加速度動(dòng)應(yīng)力極值與分布影響著內(nèi)部電連接處的可靠性，是反映其電連接振動(dòng)環(huán)境惡劣程度的間接指標(biāo)表征著振動(dòng)環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的機(jī)械損傷和結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性殼體頻域最大動(dòng)應(yīng)力均方根值各電觸點(diǎn)頻域動(dòng)應(yīng)力均方根值之和各電觸點(diǎn)頻域動(dòng)應(yīng)力均方根值分布的標(biāo)準(zhǔn)差殼體時(shí)域最大動(dòng)應(yīng)力各電觸點(diǎn)時(shí)域動(dòng)應(yīng)力平均值之和各電觸點(diǎn)時(shí)域動(dòng)應(yīng)力平均值分布的標(biāo)準(zhǔn)差電觸點(diǎn)頻域加速度均方根值之和電觸點(diǎn)頻域加速度均方根值分布的標(biāo)準(zhǔn)差各電觸點(diǎn)時(shí)域加速度平均值之和各電觸點(diǎn)時(shí)域加速度平均值分布的標(biāo)準(zhǔn)多指標(biāo)評(píng)價(jià)熵權(quán)值法振動(dòng)安全性評(píng)價(jià)方法動(dòng)應(yīng)力加速度權(quán)重=0.3權(quán)重=0.2權(quán)重=0.7權(quán)重=0.8穩(wěn)態(tài)工況瞬態(tài)工況振動(dòng)安全性評(píng)價(jià)基于振動(dòng)安全的輕量化電池包設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)技術(shù)路線(xiàn)精度是否滿(mǎn)足靈敏度分析確定參與優(yōu)化的部件和參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的定義試驗(yàn)設(shè)計(jì)近似模型建立近似模型求解電池包安全性與輕量化要求結(jié)束NYNY模型精度驗(yàn)證振動(dòng)安全性最好質(zhì)量最輕吊耳側(cè)板底板內(nèi)架原方案3.5222方案14.21.52.02.5方案24.21.82.12.5優(yōu)化解集優(yōu)化結(jié)果/mm方案1質(zhì)量降低6Kg振動(dòng)安全性不變方案2質(zhì)量不變振動(dòng)安全性提升17%滿(mǎn)足振動(dòng)安全性&輕量化的雙目標(biāo)優(yōu)化基于疲勞壽命的輕量化電池包設(shè)計(jì)技術(shù)路線(xiàn)基于疲勞壽命的輕量化電池包設(shè)計(jì)電池包疲勞壽命預(yù)測(cè)與優(yōu)化電池包疲勞壽命預(yù)測(cè)優(yōu)化電池包的疲勞壽命主要從材料選擇、減小應(yīng)力集中和提高表面質(zhì)量三個(gè)方向進(jìn)行?；谛阅芘c輕量化的電池包結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)及綜合優(yōu)化流程概念設(shè)計(jì)階段總布置確定電池包總體尺寸形狀參數(shù)確定整包性能指標(biāo)確定合理質(zhì)量范圍定義結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化關(guān)鍵截面、尺寸及接頭設(shè)計(jì)CAE初步校核性能、質(zhì)量是否滿(mǎn)足詳細(xì)設(shè)計(jì)及優(yōu)化階段子結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，加強(qiáng)筋，減重孔布置板件厚度優(yōu)化，基于電池包靜剛度、碰撞安全、振動(dòng)安全的厚度、靈敏度分析疲勞、耐碰性、振動(dòng)安全校核性能滿(mǎn)足的零部件性能不滿(mǎn)足零件本身問(wèn)題改進(jìn)其他零件問(wèn)題改進(jìn)方案綜合、成形性分析、性能校核原因分析否是基于碰撞安全性能的輕量化技術(shù)方案設(shè)計(jì)變量及范圍建立側(cè)碰/正碰汽車(chē)關(guān)鍵安全部件優(yōu)化問(wèn)題，提取電池包加載邊界精度對(duì)比、模型選擇多項(xiàng)式近似模型側(cè)碰/正碰變形分析、載荷分析建立評(píng)價(jià)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析構(gòu)建響應(yīng)面模型Kriging近似模型RBF徑向近似模型多目標(biāo)多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)移動(dòng)或縮放設(shè)計(jì)空間，增加樣本點(diǎn)其他離散優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，如連續(xù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)離散優(yōu)化材料性能、電池單體力學(xué)試驗(yàn)多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求優(yōu)化完成否是詳細(xì)設(shè)計(jì)階段電池包結(jié)構(gòu)綜合分析優(yōu)化流程確定電池包