電池包結(jié)構(gòu)安全性研究的案例
某型電動汽車電池包結(jié)構(gòu)安全性研究
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)計不足之處，從而優(yōu)化電池箱的薄弱位置，保障動力電池安全。動態(tài)分析主要是指模態(tài)分析、定頻振動分析、隨機振動分析等，用來分析電池箱在路面不平度激勵下，電池箱容易振動的薄弱位置，對電池箱進(jìn)行抗振優(yōu)化設(shè)計，提高其抗振性能。本文基于某汽車主機廠的純電動汽車電池結(jié)構(gòu)項目，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)分析和隨機振動分析，確認(rèn)了結(jié)構(gòu)失效的最危險位置；最后進(jìn)行了掃頻試驗、隨機振動試驗。試驗結(jié)果表明，該動力電池包滿足在通過不平路面引起的隨機振動下的安全性能要求。對比了掃頻試驗得到的實際模態(tài)與仿真計算得到的模態(tài)，驗證了仿真結(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。某汽車主機廠的純電動汽車電池結(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)量點的形式模擬電池、模型質(zhì)量的檢查，為動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T型槽平臺：電池包碰撞與電機耐久測試專用方案
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T型槽平臺作為測試的核心基準(zhǔn)載
新能源汽車試驗T型槽平臺：電池包碰撞與電機耐久測試專用方案
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)合新能源汽車試驗平臺、電池包測試專用T型槽、電機耐久試驗基準(zhǔn)臺等高頻關(guān)鍵詞，針對性解析適配電池包碰撞與電機耐久測試的專用方案，為新能源汽車核心部件測試提供實操支撐。
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強沖擊載荷（可達(dá)10-20g），電機耐久測試需長期耐受高頻振動（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下無塑性變形；二是定點，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強度球墨鑄鐵，經(jīng)高溫時效+振動時效+自然時效三重處理，殘余應(yīng)力去除率≥99%，搭配“箱型封閉框架+加密加強筋”結(jié)構(gòu)，筋板厚度≥35mm，臺面厚度≥150mm，可承受20g瞬時沖擊載荷，臺面撓度≤0.01mm/m。
2.定點與固定設(shè)計：采用寬幅T型槽（槽寬36-45mm），間距100-150mm，搭配12.9級強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；臺面對稱分布定點銷孔，定點精度≤±0.01mm，保障每次測試安裝位置一致性。
展開 研究發(fā)現(xiàn)增強型SEI可提高鋰金屬電池能量安全性
據(jù)外媒報道，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。
隨著電動汽車、智能手機和無人機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，因為該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。在該項目中，我們使用了聚合物復(fù)合材料來打造更好的SEI。”該項目由化學(xué)博士生Yue Gao領(lǐng)導(dǎo)，研發(fā)的增強型SEI是一個反應(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 純電動汽車電池包密封結(jié)構(gòu)研究
同時吸水性較低、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，才能使電池包的密封達(dá)到優(yōu)異的狀態(tài)。
基于Abaqus靜力學(xué)分析的球銷安全性結(jié)構(gòu)仿真研究
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)計在概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計及最終的試驗設(shè)計階段的時間成本，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計周期。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)向機構(gòu)，是各大傳動系統(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，查閱機械設(shè)計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。
展開 汽車專題第三期 |新能源汽車—電池篇（三）
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