新材料与工艺手册

轻量化插电式电池盒设计

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发表于 2020-8-20 15:15:34 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】轻量化插电式电池盒设计
高飞
(福特汽车工程研究(南京)有限公司,江苏 南京211100)
摘 要:插电式电池包作为混合动力汽车的重要来源,如何平衡电池包的安全性、结构强度和重量至关重要,为实现插电式电池包的轻量化设计,依据电池包的特点,设计电池盒为低压铸造电池盒设计箱体,上盖采用铝板冲压,降低电池盒的重量,通过有限元分析,模拟电池盒在振动,耐久,挤压工况下,评估电池盒的结构强度可靠性。对设计的电池盒进行安全性法规测试,结果表明,电池包的实际测试结果与有限元分析类似,电池包各项安全性能指标满足国家标准要求,插电式电池包整体重量相对于冲压电池盒减轻43%以上,实现了安全性和轻量化的设计目标。
关键词:插电式电池盒;轻量化;CAE

随着汽车行业的发展,汽车数量越来越多,传统燃油汽车污染环境问题日益突出,近来中国政府大力倡导发展新能源汽车,插电式新能源汽车具有好的燃油经济性,因此插电式新能源汽车也是为了汽车行业发展的趋势之一。电池包作为插电式新能源核心的零部件,降低整车重量和提升电池包安全性是汽车厂研究的重要课题,电池包在汽车行驶的过程中会受到来自各个方向的应力,容易产生结构失效,因此电池盒设计要满足强度要求。本设计基于CAE 模拟仿真评估电池盒的强度是否满足要求,同时对电池盒按照国家法规要求进行安全性能测试,进一步评估电池盒设计的可行性。

1 设计要求
电池包要满足GB/T 31467.3-2015[1]振动,挤压,碰撞的要求。电池包无泄漏、着火、爆炸等现象。

2 电池盒设计2.1 电池盒材料选择
通常电池盒设计采用钣金冲压焊接设计,并通过电泳或者喷塑方式进行表面处理,防止腐蚀,但是因钣金密度大约为7800kg/mm3,随着中国对能量密度的要求逐渐提过,钢材的电池盒能量密度逐渐满足不了电池包的需求。相比于钣金材料来说,铝合金材料具有耐腐蚀性能好、散热性强、质量轻等方面的优点。本设计电池盒采用低压铸造设计,材料选用A356,密度为2700kg/mm3,远低于钢材的密度,可以极大的提升电池包的能量密度,上盖采用6 系铝板才冲压成型,具有强度高,密度低的优势。全铝电池盒设计可以确保安全性能的同时,提升电池包的能量密度。

2.2 电池盒结构设计
铝合金电池盒如图1,电池盒箱体重29kg,外形尺寸约为961mm×886mm×150mm,平均壁厚5mm,电池盒侧壁设置4mm宽,3mm 高的加强筋用于强化电池包侧壁的刚性;上盖采用6系铝型材进行冲压,重量约为9kg;通过钣金支架固定在车身上,钣金支架重量为1.5kg。

图1 电池包

3 电池盒有限元仿真3.1 电池盒有限元模型
通过Hypermesh 对电池包进行网格划分和处理,通过Abaqus 进行后处理和分析。
3.2 振动分析
在电池包支架打螺栓处,约束电池盒的自由度。工况设置为X 方向2.0g 加速度,Y 方向设置为2.0g 加速度,Z 方向设置为3.0g 加速度。把材料抗拉属性赋予电池包进行模拟仿真,如图2,电池包的应力应变云图,电池盒的最大的应力为18.8Mpa,应变为0.075mm,远小于材料的屈服强度170Mpa 和延伸率6%。因此通过CAE 分析可以确定电池盒在振动工况下是安全的,无破裂风险。

图2 电池包应力应变云图
3.3 挤压分析
电池包约束,在电池包左侧设置竖直坚硬墙,在右侧设置挤压棒。工况设置为挤压棒向左侧挤压电池盒,应力达到100KN,或者30%的变形量,停止挤压。把材料抗拉属性赋予电池包进行模拟仿真,如图3,电池包挤压图,电池盒左侧支架产生弯曲变形,电池盒为塑性变形,并无破裂现象,挤压棒不会侵入到电池包内部的模组盒电芯。因此通过CAE 分析可以确定电池盒在挤压工况下是安全的,无起火爆炸风险。

图3 电池包挤压CAE

4 安全性能测试
为了验证电池包设计的安全性,本设计通过GB/T31467.3-2015[1]《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3 部分:安全性要求与测试方法》的规定对电池包实物进行安全性能测试。电池包的安全性能测试包括振动、挤压、碰撞。电池包在振动时,会受到各方面的力,电动汽车发生碰撞时,电池包内部的电池会因受到强烈的冲击和挤压,因此电池包在碰撞时可能发生漏电、起火甚至爆炸的风险。所以国家标准要求GB/T31467.3-2015[1]电池包在测试期间以及测试后,不应发生起火、漏电、爆炸或电解液泄漏等现象。本设计的电池盒在振动、挤压、碰撞时,均未出现起火、爆炸、电解液泄漏等问题,安全性能指满足国家标准要求。因此实际的试验结果表明,本设计的电池包具有良好的安全性能。

图4 挤压和振动试验

5 结论
插电式电池盒设计,在满足安全性能的同时,采用轻量化设计,降低电池包的重量,提升了电池包的能量密度,同时通过CAE 仿真在设计阶段优先评估电池盒的安全性,可以节约项目开发的周期,在实际测试结果中,电池包通过了相关的法规测试,具有良好的安全性能。插电式电池盒作为新的技术领域,也是汽车电动化产业的一个重要发展方向。
参考文献
[1]中华人民共和国工业和信息化部.电动汽车用锂离子动 力蓄电池包和系统 第3 部分: 安全性要求与测试方法: GB/T31467.3-2015[S].北京:中国标准出版社,2015.



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