動力電池包CAE分析的案例
干貨 | 動力電池包CAE分析案例
仿真結果如下：
顛簸路面同時緊急制動
顛簸路面同時急轉彎
3.4 動態分析
動態分析按照定頻分析和掃頻分析兩步進行，電池模組與電池包殼體的固定連接設置成接觸約束，使用HyperMesh進行網格劃分，并使用其中的求解器Abaqus進行約束加載和計算，最后再用HyperMesh查看結果。
定頻分析，將工況33Hz設置成振動頻率，加速度70m/s^2，根據這兩個初級輸入，計算定頻振動的振幅。使用這個定頻振動，計算上下，前后，左右三個方向的定頻分析。表格中數據單位為Mpa。設計選用材料的屈服極限為170.1Mpa。
掃頻分析，掃頻范圍17-200Hz，頻率變化按照線性規律。掃頻過程，就是尋找200Hz以下的系統共振頻率。結果，方形電池包找到了2個共振頻率：99.2Hz和177.2Hz都是在模態分析的3階頻率以上的高階頻率，兩個結果并無矛盾。
參考文獻
1 陶銀鵬，CAE技術在電動汽車電池包設計中的應用;
2 谷理想，電動汽車電池包疲勞壽命預測關鍵技術研究;
3 蘇陽，電動車電池包振動疲勞分析;
4 GB/T 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分 安全性要求與測試方法.
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模態：固有頻率、質量、剛度、阻尼、和模態振型作為參數，共同描述一個單自由度系統的動力學特性狀態，叫做系統的模態。
固有頻率：物體自由震動時的頻率，與初始條件無關，只與系統的質量、形狀、材質的剛度、楊氏模量有關。一個單一自由度的系統，只具有一個固有頻率。
模態分析：現實中的系統，都是多個單一自由度系統耦合的結果，表現為一個系統具有多個不同階次的固有頻率，或者叫共振頻率。模態分析，就是解耦這個多自由度系統成為多個相互獨立的單自由度系統，并確認每個單自由度系統的模態參數。模態分析是一種參數識別技術。
模態分析通常比較關注接近載荷頻率附近的模態頻率，并且高階模態能量占比比較低，因此，關注的階次到7級就可以滿足一般應用的要求。
什么是靜態分析？
載荷與系統相對靜止的內應力分析過程，構建在載荷的作用下充分變形，達到穩定狀態。
什么是動態分析？
分析系統在載荷不同作用狀態下的不同狀態參數，關注的是系統的動力學特性。載荷是時間的函數。
什么是疲勞分析？
寬泛的疲勞，指結構在周期性應力的作用下，經歷一段時間以后，沒有明顯傷痕的情況下，突然發生失效的現象。這里的應力可以是動態應力，也可以是熱應力。
疲勞相關的幾種分類
按激勵類型的不同，振動疲勞分為拉壓振動疲勞、扭轉振動疲勞和彎曲振動疲勞。若激勵頻率與結構共振頻率重合或接近使結構產生共振而導致疲勞稱為共振疲勞；反之，稱為非共振疲勞。按照激勵頻率與結構基頻的比值大小，振動疲勞分為高頻振動疲勞和低頻振動疲勞。
疲勞分析有三個主流軟件，Ncode，fatigue和fesafe。
3電池包的CAE分析案例（模態，靜態，動態）
作者陶銀鵬在他的文章《CAE技術在電動汽車電池包設計中的應用》中，講述了動力電池包需要的CAE分析項目。
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前處理軟件使用 <a href="/major/abaqus">abaqus">Abaqus 2017 CAE完成網格劃分、連接關系的創建材料屬性定義 、載荷的施加和分析步的設置。
1. 連接關系
電池包各部件之間的連接方式如下： 電池包各部件之間的連接方式如下： 電池包各部件之間的連接方式如下： 電池包各部件之間的連接方式如下： 電池包各部件之間的連接方式如下： 電池包各部件之間的連接方式如下： 電池包各部件之間的連接方式如下：
1. 模組與兩端板之間通過長螺桿連接 ；
2. 端板與支撐之間通過螺栓連接；
3. 上下蓋之間通過螺栓連接 ；
4. 箱體與支撐板直接通過焊接連；
5. 箱體與外部承載板之間通過焊接連；
2. 設置分析步
3.接觸設置
4. 邊界條件和載荷
5. 提交計算
6.查看結果
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電池 組的沖擊 分析
一、 引言
電池系統是新能源汽車的心臟，而沖擊特性對基本、安 全性、可靠與耐久具有重要影響，且合理的限元仿真分析利于提高電池 系統的性能，實現輕量化。
要評估一個 電池 受到沖擊 時的響應，需要結合實驗測試和分析模擬。與物理 實驗相比，模擬有著明顯的優勢：提供重復結果和型上任意點信息（應力、 應變、加速度等），成本低，在設計過程中任意階段都可以進行模擬。 <a href="/major/abaqus">Abaqus /Explicit已經被廣泛應用于 研究電池產品經受沖擊載荷的特性。
二、 問題描述
在本 文中涉及的分析是一個 電池在某一方向自由落體，不傾斜搖晃 的沖 擊 模擬。該分析主要研究電池構件在沖擊 模擬。該分析主要研究電池構件在沖過程中 焊接處 可能出現的故障。 分析模 擬了一個 6 毫秒的的 沖擊 過程。為了減少這次分析的運算時間 ，使用了質量縮放 使用了質量縮放 技術 。利用質量縮放，求解過程中 ，ABAQUS在不連續的時間點自動進行 質量縮放 ，來保證用戶指定的最小時間增量。
三、 有限元模型 有限元模型
電池 組的模型包括 鋁殼 ，鎳片 ，銅鎳片 ，銅，電池上支架 電池上支架 ，電池下支架 ，電池 和電 池膠蓋 。整個裝配體模型共使用 34 萬個節點與 14 萬個單元， 鋁殼 和鎳片 省略焊 點圓孔， 銅片 使用 S4R 和 S3殼單元，電池包的上蓋和下使用 C3D10M 二階四 面體單元。
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這里由于單個電池芯模型一致， 因此為減小前處理工作量， 在 Abaqus 中對單個電芯進行陣列處理，后期只需要分析修改單個電芯模型， 整個裝配體所有電芯模 型自動更新。
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CAE在電池包仿真分析中的應用
新能源領域上規模的企業都做過仿真分析，不少企業都與我司有過仿真方面的合作。
1
電池包——振動仿真
分析背景：蓄電池包或系統安裝在振動臺上，振動測試在三個方向上進行，測試從Z軸開始，然后是Y軸，最后是X軸。
判斷試驗是否通過的標準：試驗中，要求蓄電池包或系統保持連接可靠、結構完好，無外殼破裂。
蓄電池包Y軸振動過程中，內部連接區域最大應力低于所用材料屈服強度（SPCC/166Mpa），連接可靠。
振動測試功率譜密度（PSD）值和頻率
2
電池包——沖擊仿真
蓄電池包或系統無電泄露、外殼破裂、著火或爆炸現象。
3
電池包——翻轉仿真
試驗中，要求蓄電池包或系統無外殼破裂，連接可靠、結構完好。
試驗裝置
4
電池包——跌落仿真
蓄電池包或系統以實際維修或者安裝過程中最可能跌落的方向，若無法確定最可能跌落的方向，則沿Z軸方向，從1m的高度處自由跌落到水泥地面上。
蓄電池包或系統無電解液泄露、著火或爆炸現象。
展開 CAE在動力電池散熱系統分析中的應用
而動力電池作為新能源汽車的核心部件，其使用性能和壽命嚴重影響著其產業的發展。
面對動力電池產品研發中所面臨的熱安全問題，使用傳統的熱成像技術只能采集到電池表面的溫度變化情況，無法全面地獲悉產品完整的熱分布情況，且局限于較簡單的電池組結構。通過使用CAE仿真技術，可以幫助研發人員建立虛擬的電池組和散熱通道的三維模型，在此基礎上分析散熱效果并對不同方案進行對比和優化，取代了試驗方法，大大提高了設計效率。
下面以使用Flotherm對動力電池組散熱系統進行仿真分析為例，為電池組的結構優化提供依據。
案例背景
對某電池組在25℃環境溫度下，1C放電一小時進行模擬仿真，分析在電池組散熱系統中，截面溫度分布情況。
展開 新能源電池包隨機振動CAE分析報告GB38031-2020 ￥5
GB38031-2020
新能源電池包隨機振動CAE分析報告
1、模型介紹
2、材料參數
3、連接關系
4、約束與載荷
5、分析結果
6、結論
電動車動力電池包的隨機振動疲勞仿真分析案例
車載動力電池包在電動汽車行駛過程中承受著振動載荷的持續作用，因此振動試驗是電池包可靠性試驗中的重要部分。動力電池包作為電動汽車的儲能裝置，在可靠性發生失效的情況下，尤其是當一些關鍵部件或結構失效（例如出現松動、斷裂等情況）時，電池單體或者模組將發生位移、晃動或者被擠壓的情況，這將進一步造成相關部件的加速損壞，導致漏電或者采樣傳感器的失效，甚至誘發電池性能衰減，管理系統失效、電能中斷或起火爆炸等情況的發生。因此動力電池包的振動試驗也與安全性緊密相關，一直是動力電池測試評價領域關注的重點。本文利用通用疲勞壽命分析軟件Alphatigue進行電池包的隨機振動疲勞分析。
1.有限元仿真模型
頻率響應分析采用MSC.Nastran求解，分析模型的殼單元采用CQUAD4和CTRIA3單元模擬，各部件之間通過RBE2進行連接，模型總計18473個單元和18622個節點，如圖1所示。
圖1 車載動力電池包的有限元模型
2.電池包隨機振動疲勞分析流程的模塊卡片組搭建
選擇Alphatigue圖形界面的方式快速搭建隨機振動疲勞分析流程，如圖2所示。一個完整的隨機振動疲勞分析流程共分為模型輸入與工況選擇、功率譜密度文件輸入和SN求解器三部分。
圖2針對電池包隨機振動疲勞分析流程的模塊卡片組
3.工況選擇
電池包有限元分析模型共包含PSHELL_1和PSHELL_2兩個Section，如圖3所示。加載位置為電池包與車體連接點位置。
展開 元王二次開發丨新能源汽車電池包CAE有限元仿真分析
是續航能力，是電池！
節能環保的理念深入人心，國家大力推行，新能源汽車已是大勢所趨，新能源汽車各方面技術已經漸漸趨于成熟，但是電池技術還有待突破，電池設計的進展就是新能源汽車進步的核心，所以新能源汽車電池包的設計開發是重中之重！
如今很多廠商已經采用仿真軟件實現設計過程中的模擬測試，但是效率可能并未有質的飛躍，如何快速將仿真效率提升50%以上，不妨試試元王電池包自動化CAE平臺！
電池包自動化CAE平臺就是元王針對電池包產品定制化二次開發的CAE仿真平臺。不可否認，原有仿真軟件功能強大，通用性強，但大家都是這么用，仿真效率卻很難再有突破。而元王不改變現有仿真軟件系統內核，針對電池包進行定制化修改和功能擴展。“針對性”“定制化”就是效率升級的關鍵。
元王電池包自動化CAE平臺，經企業實際應用，前處理建模時間平均縮短50%，后處理周期平均縮短70%，那元王電池包二次開發仿真軟件到底是如何實現效率提升的呢？
1. 前處理界面流程化導航
2. 網格自動劃分及質量調整
3.
展開 電池包仿真經驗匯總-持續完善
電池包前處理
殼單元NASTRAN模塊下采用殼單元TRIA3和QUAD4對鈑金件進行網格劃分；在ABAQUS中采用S3R和S4R對鈑金件進行網格劃分，實體單元則盡量采用C3D8R。
網格處理標準：
--------摘自王麗娟《車用動力電池包結構CAE分析優化研究》
QI值越小表示網格質量越好。 QualityIndex面板檢測網格質量，其綜合質量指標值QI＝0.01，可認為整體網格質量是最理想的。
電池包常用材料特性：
自由模態分析：
激勵范圍17HZ-25HZ，參考《QC/T 989-2014 電動汽車動力蓄電池系統通用要求》及《QC/T 413-2002汽車電氣設備基本技術條件》，電池包的第一階固有頻率應高于30HZ為佳。
電池包輕量化設計原則：
--------摘自王麗娟《車用動力電池包結構CAE分析優化研究》
正弦振動試驗常用的是正弦定頻試驗和正弦掃頻試驗。
電池包安裝固定點建議6-10個。
展開 
電池包減重提升動力電池能量密度 碳纖維復合材料可“止痛”
根據計劃，財政補助到2020年將持續減少，電池能量密度在每千克160瓦時（Wh/kg）或以上的新能源汽車，可享受新補貼政策的最高補貼。
但是，工信部2019年第2批推薦目錄中，純電動乘用車83款，其中電池系統能量密度達到160Wh/Kg的只有13款。鳳凰環氧樹脂127https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48285.html
而按照我國政府規劃，到2020年動力電池單體能量密度大于300Wh/Kg，系統能量密度可到260Wh/kg。
“提高電池包質量能量密度的需求十分迫切。”中科院電動汽車研發中心（天津）副主任、天津中科先進技術研究院材料事業部部長曹曉燕博士在由尋材問料?主辦的“2019?第五屆碳纖維及其復合材料產業大會”上表示。
中科院電動汽車研發中心（天津）副主任、天津中科先進技術研究院材料事業部部長曹曉燕博士
提高輕量化水平可間接提高動力電池能量密度。曹曉燕博士認為，出于安全性考慮，提高電池系統能量密度的工作重心已經由提高電芯能量密度轉為整個系統減重。
數據可能體現會更直觀。曹曉燕博士指出，電池包在整個電動汽車重量的占比達到29%，因此電池包的減重對電動汽車減重貢獻巨大，需要加大電池包輕量化技術研究力度。
另外，電動汽車安全性問題也是普遍關注的敏感問題，電池包作為純電動汽車的核心部件，電池包的安全性直接影響到整車的安全性。
“電池包輕質材料的發展，經歷了從鋼到鋁合金、工程塑料，再到碳纖維及其復合材料的歷程。”曹曉燕博士表示，碳纖維復合材料具有密度低、比強度高、比剛度高、耐腐蝕抗老化性好等優點，是開發電池包箱體、解決行業痛點的關鍵材料之一。
這從天津中科先進技術研究院針對電動汽車領域關鍵核心部件，開發的新型復合材料電池包外殼實際案例也能看出。
展開 (干貨）新能源電池包散熱系統CAE仿真實例
分析中采用的前提和假設：
導熱率設置：
電芯導熱界面設置
注：材料的導熱率設定，如果是單一材料部件，如外殼等，根據部件所使用的實際材料的導熱率給定；如果是復合材料部件或多種材料組合的部件，而在3D模型中是通過簡化模型繪制的，則材料導熱率，按照集總參數法，根據經驗和理論折算給定當量導熱系數，如電芯等。
功耗設置及風機選用：
風機統一為最大風量15.87m3/h，最大全壓31.33Pa的軸流風機，可以根據具體需求隨時改換。
仿真工作環境：30℃環境溫度下放電1小時
分析模型：
放電一小時溫度截面云圖（Z方向）
放電1小時速度截面云圖（Z方向）
放電1小時速度截面云圖（Y方向）
電池放電一小時溫度分布圖
電池放電一小時溫度分布圖
仿真結論
在此散熱方案下，大部分電池的溫度都處在40-45℃的區間之內，少數散熱條件較好的電池區域溫度低于40℃。在最高溫度可以接受的條件下，可以通過調整風機的風量和擺放來改善溫度的不均衡度。
展開 CAE技術助力新能源汽車動力電池開發
通過螺栓自動固緊，由電氣連接器相連，即使發生故障，僅需更換單獨的模組即可，不必更換整個電池組，維修工作量和危險性大大降低，更換模組僅需把冷卻系統拆解，并不涉及其他構件。
為什么要做CAE分析？
CAE,計算機輔助工程，利用計算機對工程中的多個過程進行仿真優化。人們借助計算機強大的運算能力，模擬現實應用的環境和受力狀態，預測當前設計結構的內部應力狀態，設計調整優化的周期急劇縮減。配合以這兩年正在走向成熟的3D打印技術，一個理想的樣機生產程序已經成型，初步結構設計——CAE仿真驗證——設計優化——CAE再驗證——3D模型樣機。
電池包安裝在車輛上，需要滿足汽車運營條件下的苛刻力學環境的要求。制作樣品進行實驗，得到結果以后再進行調整修改，再次打樣。這種傳統做法，周期長，成本高。另一個重要問題，即使出現了結構失效，由于影響因素比較多，并不能非常準確的得到結論。有可能出現，這次的試驗失效在這里，加強以后再試，旁邊的結構又出現新的問題。工程系統越來越復雜的今天，一兩次單純依靠經驗的測試調整，已經無法真正解決產品問題。
為了能在最短周期內研制出高質量、可靠穩定的新能源汽車，工程師在研發環節引入先進的CAE仿真技術，來替代傳統的反復使用物理樣機驗證方法。CAE技術可以在車用電池包設計過程中對電池包的結構和性能做出預估，從而大大降低電動汽車電池包開發風險，降低開發費用，從而提高電池包的設計質量和效率。目前國內外相關廠商機構，如比亞迪等都在積極地進行新能源汽車及其零部件的研發，因此，積極探索CAE技術在新能源汽車電池包設計、研發、制造中的應用是十分有意義的。
1.利用CAE技術對動力電池組進行仿真分析主要包括以下幾個方面：
（1）熱分析。熱分析主要是分析電池的溫度，根據分析結果提供合理的熱管理方案，延長電池包使用壽命，最大限度提高電動驅動系統的安全性、經濟性。
展開 新能源電池包散熱系統CAE仿真實例
新能源電池包散熱系統CAE仿真實例
前言：
隨著新能源汽車市場推廣程度的逐漸深入，應用范圍不斷加大，對電池包散熱系統方案要求也越來越高。通過對電池散熱過程的熱仿真分析，可以預測電池溫度在放電過程中的變化趨勢，檢驗電池包的散熱性能，為電池箱的設計提供理論依據。
目前，市場上主流的熱仿真分析軟件為Flotherm，今天小編將通過一個電池包熱仿真實例，帶您快速了解電池散熱系統仿真分析。
分析中采用的前提和假設：
導熱率設置：
注：材料的導熱率設定，如果是單一材料部件，如外殼等，根據部件所使用的實際材料的導熱率給定；如果是復合材料部件或多種材料組合的部件，而在3D模型中是通過簡化模型繪制的，則材料導熱率，按照集總參數法，根據經驗和理論折算給定當量導熱系數，如電芯等。
功耗設置及風機選用：
單節電池的發熱量按照電流1A和內阻50mΩ確定為0.288w，電池為18650，容量2.4Ah；
風機統一為最大風量15.87m3/h，最大全壓31.33Pa的軸流風機，可以根據具體需求隨時改換。
分析方案：
仿真工作環境：30℃環境溫度下放電1小時
分析模型：
放電一小時溫度截面云圖（Z方向）：
放電1小時速度截面云圖（Z方向）：
放電1小時速度截面云圖（Y方向）：
電池放電一小時溫度分布圖1：
電池放電一小時溫度分布圖2：
仿真結論：
在此散熱方案下，大部分電池的溫度都處在40-45℃的區間之內，少數散熱條件較好的電池區域溫度低于40℃。在最高溫度可以接受的條件下，可以通過調整風機的風量和擺放來改善溫度的不均衡度。
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