電池包結(jié)構(gòu)安全性研究
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-16
電池包結(jié)構(gòu)安全性研究的實(shí)例教程
來源：上海理工大學(xué)
0.引言
目前，針對電池箱體結(jié)構(gòu)性能方面的研究主要是集中在靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析等方面。電池箱的靜態(tài)分析的目的在于分析電池箱的承載能力、抗變形能力，找到設(shè)計(jì)不足之處，從而優(yōu)化電池箱的薄弱位置，保障動(dòng)力電池安全。動(dòng)態(tài)分析主要是指模態(tài)分析、定頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析等，用來分析電池箱在路面不平度激勵(lì)下，電池箱容易振動(dòng)的薄弱位置，對電池箱進(jìn)行抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其抗振性能。本文基于某汽車主機(jī)廠的純電動(dòng)汽車電池結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，首先通過HyperMesh建立了電池包的有限元模型，進(jìn)行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明在3種典型工況下，最大應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，滿足安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)未發(fā)生失效；然后，基于OptiStruct進(jìn)行了電池包模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，確認(rèn)了結(jié)構(gòu)失效的最危險(xiǎn)位置；最后進(jìn)行了掃頻試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)力電池包滿足在通過不平路面引起的隨機(jī)振動(dòng)下的安全性能要求。對比了掃頻試驗(yàn)得到的實(shí)際模態(tài)與仿真計(jì)算得到的模態(tài)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。
1.電池包有限元分析模型的建立
電池包由上蓋、下箱體、模組、銅排、BDU、BMU、接插件、防爆閥、冷卻系統(tǒng)等部分構(gòu)成。某汽車主機(jī)廠的純電動(dòng)汽車電池結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其長×寬×高分別為1473.6mm×1190mm×146mm。電池包具體參數(shù)如表1所示。上箱體材料為SMC復(fù)合材料，密度為1.7e-9kg/m3，楊氏模量為1.0e+4MPa，泊松比為0.3。下箱體材料為Al6061-T6,密度為2.7e-9kg/m3，楊氏模量為7.0e+4MPa，泊松比為0.33。 在保證計(jì)算精度前提下，對電池包進(jìn)行簡化，以HyperMesh軟件建立電池包有限元模型，以質(zhì)量點(diǎn)的形式模擬電池、模型質(zhì)量的檢查，為動(dòng)力電池包的箱體和電池模組單元賦予材料屬性、約束及載荷施加以及工況的定義等。
展開 新能源汽車試驗(yàn)T型槽平臺：電池包碰撞與電機(jī)耐久測試專用方案
在新能源汽車研發(fā)與質(zhì)檢領(lǐng)域，電池包碰撞測試與電機(jī)耐久測試是評估核心部件安全性與可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。新能源汽車試驗(yàn)T型槽平臺作為測試的核心基準(zhǔn)載體，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能參數(shù)直接決定測試數(shù)據(jù)的性與測試過程的安全性。本文結(jié)合新能源汽車試驗(yàn)平臺、電池包測試專用T型槽、電機(jī)耐久試驗(yàn)基準(zhǔn)臺等高頻關(guān)鍵詞，針對性解析適配電池包碰撞與電機(jī)耐久測試的專用方案，為新能源汽車核心部件測試提供實(shí)操支撐。
一、專用平臺核心性能要求：適配新能源測試嚴(yán)苛場景
新能源汽車電池包碰撞測試需承受瞬時(shí)強(qiáng)沖擊載荷（可達(dá)10-20g），電機(jī)耐久測試需長期耐受高頻振動(dòng)（頻率50-2000Hz），因此專用T型槽平臺需滿足三大核心性能：一是剛性，確保沖擊與長期振動(dòng)下無塑性變形；二是定點(diǎn)，保障測試件安裝同軸度與位置精度；三是安全防護(hù)，適配高壓、高沖擊的測試環(huán)境。平臺精度等級優(yōu)先選用00級（平面度≤0.02mm/m），槽寬公差控制在H6級，為測試提供穩(wěn)定基準(zhǔn)。
二、電池包碰撞測試專用方案：強(qiáng)沖擊下的穩(wěn)定支撐
1.材質(zhì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化：選用QT600強(qiáng)度球墨鑄鐵，經(jīng)高溫時(shí)效+振動(dòng)時(shí)效+自然時(shí)效三重處理，殘余應(yīng)力去除率≥99%，搭配“箱型封閉框架+加密加強(qiáng)筋”結(jié)構(gòu)，筋板厚度≥35mm，臺面厚度≥150mm，可承受20g瞬時(shí)沖擊載荷，臺面撓度≤0.01mm/m。
2.定點(diǎn)與固定設(shè)計(jì)：采用寬幅T型槽（槽寬36-45mm），間距100-150mm，搭配12.9級強(qiáng)度防松螺栓與專用防滑夾具，確保電池包測試件牢固固定，碰撞過程中無移位；臺面對稱分布定點(diǎn)銷孔，定點(diǎn)精度≤±0.01mm，保障每次測試安裝位置一致性。
展開 據(jù)外媒報(bào)道，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State）研究人員表示，利用一種新研發(fā)的固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI），可充電鋰金屬電池可實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，更佳性能以及更好的安全性。
隨著電動(dòng)汽車、智能手機(jī)和無人機(jī)等對更高能量密度的鋰金屬電池的需求增加，SEI的不穩(wěn)定性成為阻礙鋰金屬電池發(fā)展的關(guān)鍵問題，因?yàn)樵?em>電池的鋰電極表面的一層鹽層會將SEI隔離，并且傳導(dǎo)鋰離子。
作為鋰金屬電池內(nèi)最不為人所知的部分，SEI的降解促進(jìn)了樹突的形成。樹突是一種針狀結(jié)構(gòu)，從電池的鋰電極中生長出來，會對電池的性能和安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。
機(jī)械與化學(xué)工程教授Wang表示：“這就是為什么鋰金屬電池壽命不長的原因，界面膜一生長，電池就會不穩(wěn)定。在該項(xiàng)目中，我們使用了聚合物復(fù)合材料來打造更好的SEI。”該項(xiàng)目由化學(xué)博士生Yue Gao領(lǐng)導(dǎo)，研發(fā)的增強(qiáng)型SEI是一個(gè)反應(yīng)性聚合物復(fù)合材料，由聚合物鋰鹽、氟化鋰納米顆粒以及氧化石墨烯片組成，新型電池組件的結(jié)構(gòu)就包含一層薄薄的此類材料。
研究人員研發(fā)的聚合物能夠與鋰金屬表明形成爪狀鍵合，以無源方式為鋰表面提供所需能量，使其不會與電解質(zhì)中的分子發(fā)生反應(yīng)，而納米片在復(fù)合材料中起到機(jī)械屏障的作用，防止鋰金屬中形成樹突。
通過化學(xué)和工程設(shè)計(jì)以及合作，該技術(shù)能夠在原子水平上控制鋰表面。此外，該反應(yīng)性聚合物還減輕了電池重量、降低了制造成本，進(jìn)一步促進(jìn)鋰金屬電池未來發(fā)展。
來源：蓋世汽車網(wǎng)
展開 同時(shí)吸水性較低、具有優(yōu)異的壓縮應(yīng)力松弛和抵抗永久變形的能力，適合作為電池包的密封材料。
合適的材料、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能使電池包的密封達(dá)到優(yōu)異的狀態(tài)。
1背景
Abaqus作為一款十分成功的大型商用通用有限元仿真軟件，應(yīng)用其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)仿真分析是拿手好戲。通過仿真手段不僅能夠及時(shí)了解結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，還能夠依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果對分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行安全性能評估，這極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)在概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及最終的試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段的時(shí)間成本，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)周期。鑒于此，本文依據(jù)Abaqus仿真平臺，通過對常用的工程連接構(gòu)件球銷的線性靜力學(xué)分析，來了解Abaqus靜力學(xué)分析流程，以便后續(xù)更好地應(yīng)對復(fù)雜體的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。
2問題
球銷作為一種關(guān)鍵的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，是各大傳動(dòng)系統(tǒng)中傳遞載荷的重要零件，主要用于轉(zhuǎn)向節(jié)或者轉(zhuǎn)向臂配合。那么在設(shè)計(jì)過程中，就必須考慮球銷在額定載荷下的安全性，需要對其進(jìn)行必要的靜力學(xué)分析。
基于軟件平臺
3幾何建模
依據(jù)國標(biāo)設(shè)計(jì)一種常規(guī)的汽車球銷如圖1所示。考慮模型相對倒角較多，模型由ug10.0建立并轉(zhuǎn)成文本格式（x_t格式）導(dǎo)入Abaqus進(jìn)行分析，模型的幾何尺寸等參數(shù)常見附件qiuxiao.x_t。
圖1 ug10.0建立的球銷幾何模型
4有限元分析
由于球銷模型結(jié)構(gòu)并不規(guī)則，在對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)候需要對其進(jìn)行切分，網(wǎng)格劃分不另外采取其他網(wǎng)格劃分前處理器，直接在Abaqus中進(jìn)行，主要步驟如圖2所示。應(yīng)注意的是，在對其進(jìn)行切分的時(shí)候，必須要選好切方的基準(zhǔn)面（如圖2（a）所見），之后切分完成后通過掃掠網(wǎng)格劃分即可完成結(jié)合體的整體網(wǎng)格劃分如圖2（c）所示。關(guān)于對球銷的材料賦予，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得知球銷的本構(gòu)參數(shù)如表所示。之后進(jìn)行的單元塑性設(shè)置、邊界載荷約束均按照案例操作完成，并無特殊設(shè)置要求，其他求解輸出設(shè)計(jì)為默認(rèn)。最后遞交求解后的得到的應(yīng)力云圖如圖3所示。
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新能源汽車試驗(yàn)T型槽平臺：電池包碰撞與電機(jī)耐久測試專用方案
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1背景
Abaqus作為一款十分成功的大型商用通用有限元仿真軟件，應(yīng)用其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)仿真分析是拿手好戲。通過仿真手段不僅能夠及時(shí)了解結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，還能夠依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果對分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行安全性能評估，這極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)在概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及最終的試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段的時(shí)間成本，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)周期。鑒于此，本文依據(jù)Abaqus仿真平臺，通過對常用的工程連接構(gòu)件球銷的線性靜力學(xué)分析，
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10.某型電動(dòng)汽車電池包結(jié)構(gòu)安全性研究
主要內(nèi)容：電池包有限元分析模型的建立、電池包靜荷載分析、電池包隨機(jī)振動(dòng)分析、電池包振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證、結(jié)論...
來源：上海理工大學(xué)
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目前，針對電池箱體結(jié)構(gòu)性能方面的研究主要是集中在靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析等方面。電池箱的靜態(tài)分析的目的在于分析電池箱的承載能力、抗變形能力，找到設(shè)計(jì)不足之處，從而優(yōu)化電池箱的薄弱位置，保障動(dòng)力電池安全。動(dòng)態(tài)分析主要是指模態(tài)分析、定頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析等，用來分析電池箱在路面不平度激勵(lì)下，電池箱容易振動(dòng)的薄弱位置，對電池箱進(jìn)行抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其抗振性能。本文基于某汽車主機(jī)廠的純電動(dòng)汽車電池結(jié)構(gòu)項(xiàng)目
據(jù)外媒報(bào)道，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State）研究人員表示，利用一種新研發(fā)的固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI），可充電鋰金屬電池可實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，更佳性能以及更好的安全性。
隨著電動(dòng)汽車、智能手機(jī)和無人機(jī)等對更高能量密度的鋰金屬電池的需求增加，SEI的不穩(wěn)定性成為阻礙鋰金屬電池發(fā)展的關(guān)鍵問題，因?yàn)樵撾姵氐匿囯姌O表面的一層鹽層會將SEI隔離，并且傳導(dǎo)鋰離子。
作為鋰金屬電池內(nèi)最不為人所知的部分
引言
電池包是電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力能量來源，作為電動(dòng)汽車的三大核心件之一，其電氣安全性能至關(guān)重要；因此電池包的設(shè)計(jì)要求具有電氣設(shè)備外殼的IP67防水防塵護(hù)等級要求，因此其密封設(shè)計(jì)格外重要。
對于自然風(fēng)冷散熱的電池包，電池箱必須是完全密封的，在箱體或者箱蓋上設(shè)有透氣不透水平衡閥，起到平衡內(nèi)外壓力、防爆的作用；
對于靠強(qiáng)制風(fēng)冷的電池包，除了通風(fēng)孔處，其余位置不允許發(fā)生泄露；電池箱的上下蓋必須加密封圈
