動力電池包的案例
淺析汽車動力電池包的組成、成組技術及成組效率對比
摘要：本文在概述了汽車動力電池包組成的基礎上，重點探討了動力電池成組對電芯高能量密度、輕量化、結構設、安全、熱管理、電氣、標準化設計要求的要點，并對動力電池成組效率進行比較。
1.汽車動力電池包的組成
在純電動汽車中，動力電池包作為汽車唯一的動力來源，動力電池包電能的高低決定了電動汽車的行駛里程。提高動力電池包電能的方法有兩種：采用高容量的電芯，使用更多的電芯。一般電芯容量越高，成本也越高。因此優化動力電池包的結構，盡量使用更多的電芯成為動力電池設計過程需要考慮的重要因素。
動力電池系統
1）動力電池模組
動力電池模組是動力電池包的“心臟”，負責儲存和釋放能量，為電動汽車提供動力。動力電池模組可以理解為動力電池單體經由串并聯方式組合成的多個PACK， PACK是單個組件，是包裝、封裝、裝配的意思，其工序分為加工、組裝、包裝三大部分。
動力電池模組通過結構設計，再加上動力電池管理系統和熱管理系統就可組成一個較完整的動力電池包。動力電池包通過工藝、結構固定在設計位置，協同發揮電能充放存儲的功能。可以說模組的基本作用就是連接、固定和安全防護。
動力電池單體即電芯按正極材料來分，主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。動力電池模組的結構必須對電芯起到支撐、固定和保護作用，可以概括成3個大項：機械強度，電性能，熱性能和故障處理能力。
動力電池模組按電芯的結構形狀可分為：圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種，其各自的優缺點也十分明顯。在一定程度上，電芯的性能決定了動力電池模組的性能進而影響整個動力電池包的性能。因此在進行動力電池包設計時一定要根據整車的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。
展開 淺析汽車動力電池包的組成、成組技術及成組效率對比
摘要：本文在概述了汽車動力電池包組成的基礎上，重點探討了動力電池成組對電芯高能量密度、輕量化、結構設、安全、熱管理、電氣、標準化設計要求的要點，并對動力電池成組效率進行比較。
關鍵詞：組成 要求 效率
1 汽車動力電池包的組成
在純電動汽車中，動力電池包作為汽車唯一的動力來源，動力電池包電能的高低決定了電動汽車的行駛里程。提高動力電池包電能的方法有兩種：采用高容量的電芯，使用更多的電芯。一般電芯容量越高，成本也越高。因此優化動力電池包的結構，盡量使用更多的電芯成為動力電池設計過程需要考慮的重要因素。
動力電池系統
1）動力電池模組
2）結構系統
結構系統主要由動力電池PACK上蓋、托盤、各種金屬支架、端板和螺栓組成，可以看作是動力電池PACK的“骨骼”，起到支撐、抗機械沖擊、機械振動和環境保護（防水防塵）作用。
展開 動力電池包輕量化設計技術
摘要：
在整車電量一定的情況下，電動汽車的續航里程一直是用戶重點關注的參數之一，而電動汽車用電池包作為三電系統中的核心部件，其輕量化的設計直接影響整車的續航里程。實現動力電池包輕量化設計主要有兩種途徑：提高單體電芯的能量密度，優化電池包結構設計，本文主要是針對第二種方式進行闡述輕量化設計的相關技術研究。
新能源汽車對輕量化設計更加敏感，直接影響到終端用戶的體驗度和滿意度。電動汽車電池包的輕量化研究是新能源汽車輕量化的主要研究內容之一，實現動力電池包的輕量化主要有兩種途徑：一是提高單體電芯質量能量密度，二是優化電池包結構設計和新材料的選型。
1 動力電池包輕量化設計思路
動力電池包的主要組成部分就是電池及相關結構輔件，目前單體電芯大多數為鋰離子電池，其主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜、銅箔等組成，動力電池包對電芯進行相關的串并聯組合方式實現不同的電壓和能量，過重的電池包對整車續航能力影響極大。
展開 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 
比亞迪秦EV300之動力電池組
動力電池組概述
動力電池包概述
動力電池包
磷酸鐵鋰電池：13個電池組串聯，13個BIC；2個分壓接觸器、1個正極接觸器、1個負極接觸器、采樣線束、電池模組連接片和鏈接電纜等。
外觀、接口：
電池包密封蓋上粘貼有電池參數標簽和電池編號、托盤，高、低壓線束接口。
動力電池包高壓端接口：拆裝高壓接口時，注意鎖止機構鎖片的字母提示。
動力電池包高壓母線：帶高壓互鎖端子
2. 動力電池包組成結構
組成結構
電池包外部結構：密封蓋板、鋼板壓條、密封條、電池托盤
內部結構：電池模組、動力連接片、連接電纜、采集器、采樣線，電池組固定壓條，密封條。
電池組連接方式：
13個模組串聯組成。（電池包接口：1#電池負極、13#電池正極）
動力電池包內部含有4個接觸器和2個保險：(接觸器影響電池組是否可以串聯）
1#--負極接觸器；
13#--正極接觸器；
6#、10#--分壓接觸器、保險
3. 動力電池包模組種類
組成結構
兩類電池模組（單列和雙列模組：電壓采樣線板，溫度采樣線板、電芯保護蓋）單列模組結構圖--電池模組尾端裝有信息采集器
（單列模組）
BIC—電池信息采集器（電壓采樣、溫度采樣、通訊端口）
雙列模組結構圖--電池模組尾端裝有信息采集器
（雙列模組）
BIC—電池信息采集器（電壓采樣、溫度采樣、通訊端口）
電池信息采集器連接方式
12Pin接插件通訊接口（與分布式BMS進行通訊）
動力電池包采樣線接口定義
4. 電池管理系統
分布式電池管理系統
1個電池管理控制器（BMC）和13個電池信息采集器（BIC）及1套動力電池采樣線組成。
展開 基于頻率響應的電池包隨機振動仿真
本案例的設置如下：
輸出H3D和OP2格式的結果VON Mises Stress，輸出應力的均方根值，輸出動力電池包托腳處的單元RMS應力值。
為了定量描述托腳受振后的變形情況，定義了CASE_UNSUPPORTED_CARDS,用于指定要輸出的節點的位移，輸入命令流 XYPLOT,DISP,PSDF/5256(T1)，即可輸出5256號節點的位移的PSD曲線，讀者也可根據自己興趣輸出相關節點的速度、加速度、應力PSD曲線。
動力電池包的隨機振動仿真云圖如下圖所示。由云圖可知，1σ應力為89MPa，3σ應力為267MPa，所以該電池包95.7%的時間應力值低于267MPa，超過了Q235材料235MPa的屈服強度，托腳有可能因為強度不足而斷裂。
當然，這里的案例只是總結了基于頻率響應去進行隨機振動的原理、卡片、設置流程，對于仿真結果影響較大的阻尼沒有過多的關注。
動力電池包托腳處5256號節點的位移PSD曲線如下圖所示，可以看出低頻階段的位移量較大。
小結：
隨機振動仿真彌補了電池箱靜強度仿真的保守性。不僅可以用來預測動力電池包的設計強度，還可以使用隨機振動應力分布的三區間法則去預測動力電池包的疲勞耐久性。
展開 電池包輕量化的5種關鍵方法
動力電池包生產企業根據整車企業需求，開發出模組排布不同、電池包箱體形狀和安裝吊耳位置各異的車用動力電池包。
經過不斷研究與發展，電池包常用結構布置形式有車身底部懸置式、車身結構一體式和標準箱體分布式等。
車身底部懸置式
早期電動汽車多由傳統燃油車改裝而成，動力電池包通常安裝在汽車前艙、后備箱、地板底部等位置，如下圖所示的日產Leaf“凹”形電池包。
日產Leaf 電池包
車身底部懸置式電池包采用螺栓連接于汽車車架底部，具有設計高效靈活、生產制造獨立性好等優點，是乘用車廣泛采用的動力電池包結構形式，如日產Leaf、吉利帝豪EV等車型。
吉利 帝豪EV Pro
箱體分布式
標準箱體分布式是通過幾個相同或者結構近似的標準箱體電池包串并聯形成電池系統，具有布置靈活，安裝位置多樣等特點。
空間較大且規整的客車或專用汽車多采用該種結構形式，如宇通E10 純電動客車等。
展開 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.
展開 學習筆記|動力電池包CAE分析案例
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。
展開 ANSYS電池包行業結構仿真解決方案
獲取完整版資料
目前動力電池開發中面臨的問題：
? 性能(能量密度及功率密度)
? 耐用性和使用壽命(考慮在不同環境和使用周期)
? 安全性(考慮惡劣環境)
? 費用成本
? 復雜的多尺度、多物理場系統
? 快速發展的材料和設計理念
? 現有軟件工具局限性
目錄
1. 動力電池開發中面臨的問題
2. 新能源電池結構仿真類別
3. 新能源電池結構仿真解決方案
3.1 新能源動力電池整包自重分析
3.2新能源汽車動力電池模組強度分析
3.3新能源汽車動力電池單體強度分析
3.4新能源汽車動力電池pack振動性能仿真
3.5新能源電池包機械沖擊仿真
3.6 新能源汽車動力電池單體跌落仿真
3.7 新能源電池包跌落仿真
3.8 基于Mechanical的新能源動力電池整包擠壓計算
3.9 新能源動力電池包PSD隨機振動及疲勞壽命計算
4. 電池包行業結構仿真分析案例
4.1 ANSYS解決方案的特點
4.2 電池包模型，材料，與網格
4.3 電池包邊界條件和求解
4.4 電池包案例分析
4.5 結果分析
以下內容截取自該篇資料
新能源動力電池整包自重分析
輸入條件：電池包整包的3D分析模型，材料力學屬性，標準重力加速度及安裝孔固定約束。
仿真流程：
? 目的：研究電池包在自重作用下的強度。
? 載荷：標準的重力加速度。
? 邊界條件：電池底部安裝孔固定。
結果與效果：
? 電池重量大的地方位移就大，圖中右下角模組位移最大0.1mm。
展開 電動汽車電池包箱體保溫性能研究與優化
綜合考慮生產成本與保溫性能，方案二初步選擇海綿橡膠作為電池包的保溫材料，厚度為5mm。
3.2 電池包箱體保溫性能仿真計算結果
對鋼制與鋁制電池包箱體模型進行穩態計算，如圖6所示，可以得出結論為：電池包下箱體為主要的傳熱部件，通過增加海綿橡膠后隔熱保溫性能會有提升。
對鋼制與鋁制電池包箱體模型進行瞬態計算，得出其不同工況下不同方案的溫度變化，如圖所示。
3.3 鋼制與鋁制電池包隔熱保溫性能差異性研究
3.3.1 保溫性能對比
對電池包的瞬態仿真結果進行整理可以得出：鋼制與鋁制電池包夏季工況隔熱性能對比（表3）、鋼制與鋁制電池包冬季工況保溫性能對比（表4）。
對上述數據進行比較分析可以得出：
（1）電池包在夏季工況下的隔熱保溫想能優于冬季工況。
（2）鋁制電池包的隔熱保溫性能優于鋼制電池包。
（3）電池包在增加保溫材料后隔熱保溫性能會有提升。
（4）鋼制電池包在夏季和冬季工況下兩種方案均不滿足設計要求。
3.3.2 隔熱保溫性能差異性研究
根據穩態仿真結果分析，電池包的下箱體為主要的散熱部件，所以主要對電池包下箱體進行研究。主要考慮到鋼制與鋁制電池包下箱體材料不同和結構不同。
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 7/7 Ansys在電池包結構仿真方案中的應用
簡介：
電動汽車采用鋰離子動力電池包安全性測試方法中涉及到很多項目，包括振動、機械沖擊、跌落、翻轉、模擬碰撞、擠壓、溫度沖擊等。Ansys Mechanical和Ansys LS-Dyna針對這些需求可以提供相應解決方案，本次網絡研討會將介紹包括在Ansys SpaceClaim中的模型處理，在Ansys Mechanical中的電池包模態分析，諧響應分析，在Ansys LS-Dyna中振動，沖擊跌落顯式分析，在nCode DesignLife中振動疲勞分析，詳細介紹動力電池包安全性測試要求及仿真解決方案。
時間：
2020/07/07 16:00
講師簡介：
張寅
深圳市軟信技術部結構仿真工程師。CAE專業碩士畢業，曾就職于國內知名車企，具備多年CAE仿真工作經驗，擅長Ansys結構產品線的應用，特長是Ansys Mechanical的非線性分析，振動分析，LS-Dyna碰撞分析，以及nCode Designlife疲勞分析。對新能源電池包結構仿真比較了解，服務過國內多家大型新能源電池包生產制造商。
》》點擊立即報名《《
展開 WEY VV7（GT）PHEV 動力電池探秘
02
結構組成
動力電池包由電池模組、電池管理系統BMS、BDU總成以及手動維修開關、上殼體、下殼體、水冷板、導熱墊、隔熱墊等零部件構成，包含機械連接、電氣連接、防護、熱管理等功能。
新能源動力電池 | 結構分析完整解決方案
動力電池的結構分析解決方案
新能源動力電池包結構仿真分析的完整解決方案，能夠幫助客戶全面的預測和驗證動力電池包結構的靜力性能、抗振性能、抗沖擊性能以及抗擠壓性能等。主要使用軟件工具為ANSYS Mechanica和ANSYS Dyna，涉及的仿真類型主要包括：強度分析、剛度分析、模態分析、隨機振動分析、定頻振動分析、疲勞分析、機械沖擊分析、跌落分析、擠壓分析、球擊分析等。
1、 動力電池的強度分析
2、
電池包在各種加速度慣性載荷下的強度分析，查看應力結果。
2、動力電池的剛度分析
電池包在各種加速度慣性載荷下的剛度分析，查看位移結果。
3、動力電池的模態分析
電池包的約束模態分析，查看模態頻率和模態振型。
4、動力電池的隨機振動分析
電池包在PSD譜下的隨機振動分析，查看位移和應力結果。
5、動力電池的定頻振動分析
電池包在固定頻率下的定頻振動分析，查看位移和應力結果。
6、動力電池的疲勞分析
電池包在確定振動條件和時長下的疲勞分析，查看損傷和壽命結果。
7、動力電池的機械沖擊分析
電池包在半正弦加速度慣性載荷下的機械沖擊分析，查看位移、應力以及塑性應變結果。
8、動力電池的跌落分析
電池包在指定高度下落的跌落分析，查看位移、應力以及塑性應變結果。
展開 