新能源汽車動力電池包結(jié)構輕量化開發(fā)

新能源汽車動力電池包結(jié)構輕量化開發(fā)華南理工大學蘭鳳崇教授動力電池包結(jié)構輕量化開發(fā)思路與方案車載工況對電池包安全性的影響碰撞動力電池的竄動、擠壓、短路、開裂、漏電、熱沖擊、爆炸、燃燒等復雜路面動力學環(huán)境耦合引發(fā)應力損傷、高壓漏電、電觸點失效等安全問題隨機激勵電池包可能先于車身車架等其他機械結(jié)構發(fā)生疲勞損壞開展車載環(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用價值。因此車載復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)境動力電池系統(tǒng)的復雜安全性認識不足動力電池包的設計研發(fā)對車載環(huán)境考慮不足實際產(chǎn)品不能完全滿足車輛使用環(huán)境需求的現(xiàn)象不完善動力電池包結(jié)構輕量化開發(fā)思路與方案電池系統(tǒng)輕量化、緊湊化指標要求電池系統(tǒng)結(jié)構材料性能建模電池單體試驗及等效力學模型電池模組、連接結(jié)構性能電池殼體的結(jié)構材料和成型工藝分析電池系統(tǒng)與車體和懸置結(jié)構分析模型建模仿真與驗證，給出多學科多目標優(yōu)化方案正常載荷工況下可靠、安全、熱流場約束極限工況，如：碰撞、翻車等可靠和安全約束輸出優(yōu)化方案達到目標和性究能指標，形成產(chǎn)品開發(fā)方案動力電池單體力學試驗與模型建立單體電池擠壓力學試驗電池擠壓仿真分析與失效參數(shù)反求整體平面擠壓試驗局部球頭擠壓試驗卷芯整體擠壓試驗卷芯材料性能試驗單體電池有限元建模電池擠壓仿真分析內(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關系小球頭擠壓仿真結(jié)果動力電池單體力學試驗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，力突變點出現(xiàn)的越早證明越容易發(fā)生短路。不同擠壓位置對應的力-位移曲線動力電池單體力學試驗與模型建立電池內(nèi)芯的均質(zhì)化內(nèi)芯的壓縮應力-應變曲線內(nèi)芯的本構方程電池的擠壓仿真分析采用LS-DYNA進行，經(jīng)過分析比較后，選擇#63各向同性可壓縮泡沫材料模型。經(jīng)過上述分析，得出內(nèi)芯材料具有典型的低平臺應力泡沫材料屬性，并將其簡化為均質(zhì)各向同性泡沫材料。電池內(nèi)芯的均質(zhì)化電池模型的構建擬合曲線試驗曲線擬合內(nèi)芯本構方程動力電池單體力學試驗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)芯疊層破裂電池擠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)驗證，該參數(shù)可以準確預測電池發(fā)生內(nèi)部短路的時刻。局部擠壓仿真結(jié)果驗證了所建立的本構方程和有限元模型的有效性。所建立的內(nèi)部短路失效判斷準則對于后續(xù)碰撞仿真分析有重要的幫助?；谂鲎舶踩妮p量化電池包設計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車整車有限元模型移動壁障有限元模型整車側(cè)面碰撞仿真有限元模型電池包外部結(jié)構有限元模型建模整車正面碰撞仿真分析仿真動力電池系統(tǒng)的碰撞安全性評估提出動力電池包碰撞安全性評估方法（DSA評價體系）加速度大?。ˋcceleration）應力值(Stress)變形侵入量(Displacement)評價優(yōu)化電池模組結(jié)構優(yōu)化電池包外殼結(jié)構優(yōu)化技術路線底部穿刺碰撞仿真分析整車側(cè)面碰撞仿真分析基于碰撞安全的輕量化電池包設計整車碰撞仿真分析側(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計合理的評價方法系統(tǒng)的評價指標體系碰撞工況的全面性合理的評價模型建立合理的評價方法必要因素加速度動應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應力表征著碰撞過程中電池包結(jié)構損傷及破壞危險程度變形量變形量可以反應碰撞過程中電池包結(jié)構耐撞性評價指標理想的電池包結(jié)構設計應避免應力集中、應力極值過大、各處觸點加速度分布極不均勻、內(nèi)部結(jié)構布置不合理導致碰撞時發(fā)生電短路等缺陷，以保證在長期車載工況下的結(jié)構安全性。碰撞工況評價模型涵蓋正面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價法和層次分析法吊耳應力前壓桿彎曲變形量螺釘應力箱體變形量模組加速度基于振動安全的輕量化電池包設計技術路線基于振動安全的輕量化電池包設計理論實現(xiàn)螺栓預緊力使得裝配完成時存在預應力場，預應力場會影響固有頻率各個組件之間定義接觸關系，存在非線性邊界。但當接觸狀態(tài)趨于穩(wěn)定，結(jié)構剛度矩陣不再變化，可以近似為線性結(jié)構而采用線性計算組合裝配體接觸模態(tài)的特殊性預應力場附加剛度陣考慮預應力下的模態(tài)通過控制接觸剛度逼近真實狀態(tài)優(yōu)化接觸參數(shù)電池包精細化動力學建模技術路線單體電池力學性能試驗對比驗證單體等效力學模型殼體模態(tài)試驗殼體模態(tài)仿真對比驗證裝配體模態(tài)求解裝配體模態(tài)試驗動力學分析對比驗證接觸邊界條件確定數(shù)值方法試驗方法電池外部件裝配關系電池包基于振動安全的輕量化電池包設計沖擊工況下的位移變化沖擊過程各觸點應力變化沖擊過程觸點最大應力位置響應呈周期性變化，振動形態(tài)與一階約束模態(tài)振型相接近。最大應力值出現(xiàn)在20號觸點位置。半正弦波沖擊工況的引起交變應力環(huán)境比穩(wěn)態(tài)工況更惡劣基于振動安全的輕量化電池包設計分析結(jié)果-加速度響應激振方向加速度RMS最大值/g及（觸點號）加速度RMS最小值/g（觸點號）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)工況同一方向激勵下不同位置觸點的加速度響應差異很大，呈現(xiàn)很強的不均勻性，可見電池組整體模態(tài)對觸點的動態(tài)響應影響很大，響應在模態(tài)的頻率點被放大瞬態(tài)工況時域交變曲線，瞬時響應值比穩(wěn)態(tài)下大很多頻譜分析基于振動安全的輕量化電池包設計使用過程中的機械承受避免應力集中、極值過大，超越材料的屈服極限，導致突然斷裂或者長時間的應力腐蝕功能的長期一致性例如內(nèi)部觸點動力學環(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足疲勞壽命需求不僅包括機械結(jié)構上的壽命，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)構安全性能為前提下的多目標優(yōu)化評價標準1不同位置觸點的應力、加速度差異很大，動力學環(huán)境不一致性強2電池包整體模態(tài)對動態(tài)響應影響很大，響應在共振點被放大1瞬態(tài)沖擊等極端行駛條件下的動力學傷害往往大于穩(wěn)態(tài)工況隨機振動與沖擊條件下電池包動力學響應分析基于振動安全的輕量化電池包設計有m個方案，n個評價指標。建立原始數(shù)據(jù)矩陣無量綱、歸一化處理計算各指標差異化系數(shù)計算各指標熵權計算各個方案的評價值指標體系加速度動應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環(huán)境惡劣程度的間接指標表征著振動環(huán)境對結(jié)構的機械損傷和結(jié)構的疲勞耐久性殼體頻域最大動應力均方根值各電觸點頻域動應力均方根值之和各電觸點頻域動應力均方根值分布的標準差殼體時域最大動應力各電觸點時域動應力平均值之和各電觸點時域動應力平均值分布的標準差電觸點頻域加速度均方根值之和電觸點頻域加速度均方根值分布的標準差各電觸點時域加速度平均值之和各電觸點時域加速度平均值分布的標準多指標評價熵權值法振動安全性評價方法動應力加速度權重=0.3權重=0.2權重=0.7權重=0.8穩(wěn)態(tài)工況瞬態(tài)工況振動安全性評價基于振動安全的輕量化電池包設計目標函數(shù)技術路線精度是否滿足靈敏度分析確定參與優(yōu)化的部件和參數(shù)優(yōu)化問題的定義試驗設計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模型精度驗證振動安全性最好質(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振動安全性不變方案2質(zhì)量不變振動安全性提升17%滿足振動安全性&輕量化的雙目標優(yōu)化基于疲勞壽命的輕量化電池包設計技術路線基于疲勞壽命的輕量化電池包設計電池包疲勞壽命預測與優(yōu)化電池包疲勞壽命預測優(yōu)化電池包的疲勞壽命主要從材料選擇、減小應力集中和提高表面質(zhì)量三個方向進行。基于性能與輕量化的電池包結(jié)構開發(fā)及綜合優(yōu)化流程概念設計階段總布置確定電池包總體尺寸形狀參數(shù)確定整包性能指標確定合理質(zhì)量范圍定義結(jié)構設計空間整體結(jié)構拓撲優(yōu)化關鍵截面、尺寸及接頭設計CAE初步校核性能、質(zhì)量是否滿足詳細設計及優(yōu)化階段子結(jié)構拓撲優(yōu)化，加強筋，減重孔布置板件厚度優(yōu)化，基于電池包靜剛度、碰撞安全、振動安全的厚度、靈敏度分析疲勞、耐碰性、振動安全校核性能滿足的零部件性能不滿足零件本身問題改進其他零件問題改進方案綜合、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方案設計變量及范圍建立側(cè)碰/正碰汽車關鍵安全部件優(yōu)化問題，提取電池包加載邊界精度對比、模型選擇多項式近似模型側(cè)碰/正碰變形分析、載荷分析建立評價模型實驗設計分析構建響應面模型Kriging近似模型RBF徑向近似模型多目標多學科綜合優(yōu)化設計移動或縮放設計空間，增加樣本點其他離散優(yōu)化設計方法，如連續(xù)正交實驗設計離散優(yōu)化材料性能、電池單體力學試驗多目標多學科優(yōu)化滿足設計要求優(yōu)化完成否是詳細設計階段電池包結(jié)構綜合分析優(yōu)化流程確定電池包