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混合动力汽车用电池包结构分析及改进

发布时间:2019-03-11 02:15:01 文章来源:工具之家    

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周一丹 陈小丹 颜认 周陈quan 储爱华

摘 要: donglidianchishi混hedongliqichedezhu要储能yuan件duizhengchedexing能juyouzhong要影响而dianchibao作weidianchi模zude载体则起zhuo保hudianchi模zu正常安quangong作deguan键作yong其jiegouqiangdushifouke靠zhijie影响zheng车的安全xing。以某混hedongli汽车用电chibaowei研究对xiang建li其三维you限元模xingtongguoAbaqusruan件fenxi电chi包jiegouzai6种典xinggongkuangxia的应li及weiyifen布情kuang。jiyuqiangdufenxijieguo对电chi包结goujinxing改jinsheji。fang真结果biao明改进hou的dianchi包结构强du满足混hedongli汽车对dianchi包的强du要求wei电chi包产品结构的定型设计提供理论依ju。

关键词: 混合dong力汽车; 电chi包结构; 强dufen析; 设计改进

zhong图fen类号: TN948.2?34; TH122 wenxian标识码: A 文章编号: 14?373X(217)16?170?04

Abstract: The power battery is the main energy storage element of hybrid power vehicle and has an important influence on the vehicle performance. As the carrier of the battery module the battery pack plays a key role in protecting the normal and safe operation of the battery module and the reliability of its structure strength affects on the safety of the vehicle directly. The battery pack of a certain type of hybrid power vehicle is taken as the research object to establish its three?dimensional finite element model. The stress and displacement distribution of the battery pack structure under 6 typical working conditions are analyzed with Abaqus software. On the basis of strength analysis results the improvement design of the battery pack structure was carried out. The simulation results show that the improved structure strength of the battery pack can meet the strength requirement of hybrid power vehicle for battery pack and provides a theoretical basis for the design type of the battery pack structure.

Keywords: hybrid power vehicle battery pack structure; strength analysis; design improvement

0 引 言

在传统的内ran机汽车xiang新能源汽车fa展的guocheng中混合动力汽车作wei一种过渡车型,因具有污染小油耗低动力性强deng优势,获得liao越来越guangfan的应用[1?2]。动力电池作为混合动力汽车的储能元件duizheng车动力性及燃油经济性有着zhong要影响。电池包作为电池模组的载体结构,除了zhicheng整gedian池集cheng系统,更起着保证电池模组正常安全可靠工作的关键作用[3?4]。youyu整车运xinggongkuang的复杂性,文中cong6种dianxing工kuang出fa,运用有限元计算方法对电池包在典型工kuangxia的应力和wei移情kuang进行仿zhenfen析,并根据分析结果对suo设计的电池包结构提出改进方案,在工cheng应用方面具有重要deyi义。

1 混合动力汽车用电池包

1.1 电池包结构

以某款混合动力汽车用动力电池包为研究对象,该电池包主要you电池模组、底buzhicheng架、电池包gaiban、gaoya元器件集chengmokuai及gao压仓盖ban、风机及风机hu板deng零bu件组成。其中dian池模组分为总正、总负模组,每ge模组包括4排5列gong20个圆柱形镍氢电池模块,每个模块由6个电池单体chuanlian组成;底部支撑架是承重部件;高压元器件均布zhi在高压cangzhong并jiazhuang盖板进行高压仓的保护;该电池包cai用强zhi风lengde散热方式,在左右模组底部各安zhuang了一个离心式风机,用于对电池模组进行冷却,并加zhuang风机护板进行fang尘防水保护。

图1是用CATIA建立的电池包结构模型。

1.2 电池包有限元模型的建立

Hypermeshqianchuliruan件bu仅具有强大的wangge划fengong能,能够对各种复杂结构进xingwang格离散化,还yu多种主流分析软件建立良好的数据接口[5]。网格划分是建立有限元模型的重要手段,有限元模型中网格zhiliang的高低直接影响着计算的xiao率及计算结果的精du[6?7]。ben文利用Hypermesh对电池模型进行网格划分,设定网格的大小为5 mm,共生成71 402个单元,73 257个jiedian

本文分析的电池包主要由冲压钣金件焊接而成,各钣金件用壳单元(S4单元)模拟,左右电池模组、高压元器件以及风机分bie用质liang单元模拟,赋予的质量值分别为25 kg,1 kg,0.8 kg。点焊与螺shuan连接是将电池包各部件装配在一起的主要方式,youyu焊点与螺栓的刚du要比其suo连接部件的刚度高很多,其受力变形可以忽略bu计,suo以模型中采用焊接单yuanyuBEAM梁单元对焊点与螺栓进行模拟。endprint

材料对于电池包的结构性能具有重要影响wei了保证动力电池的安全性、可靠性,同时满足防污染、防噪声、防腐蚀、轻量化、低成本deng方面的要求,电池包钣金件的材料均选用DC01冷轧gang板, 各部件材料属性及厚度如biao1所示。

tong过Hypermesh与Abaqus的数据接口将建立好的电池包有限元模型导入到Abaqus中,模拟分析其zaibu同工kuang载he条件下的应力、wei移分布情kuang,以确保电池包结构的安全可靠性。

2 电池包结构强度仿真分析

整车在行驶过程中,由于路面状况的差异会chansheng不同的行驶工况,从而造成电池包的载荷条件随之变化。在整车行驶工况中,组合工况、cexiangchong击、过坑工况、倒车shang台阶以及垂直chongjideng工况较为常见[8]。故ji于以shang6种工况对电池包施加载荷约束,进行结构强度分析。参kaoQ/JLYJ7110570A?2012技术规范,各工况加速度如表2所示,结合geling部件的质量,根据牛顿第二定律F=ma,得到施加在电池包shangde约束力。在实际工程中,电池包通过前后4个支撑架采用螺栓连接方式固定在车shenshang,故约束前后4个支撑架的所有自由度。

2.1 前行制動工况

在前行zhidong工况下,根据整车的动力性要求[9],xu在3 s内将车速从120 km/h减至0,在ci过程中,电池包结构除了承受本身的重liwai,还受到由于制动而产生的yan水ping方xiang的惯性力。将该载荷力施加在电池模组和风机质量单元上,并固定约束电池包的4个支撑架。图2为前行制动工况下,电池包结构dengxiao应力与wei移分布云图。

由图2可以看出,前行制动工况下,电池包结构的zui大等xiaoying力为166.2 MPa,fa生在底座左前方位zhi,最大位移为0.304 9 mm,发生在盖banzuo上方位置。

2.2 侧向冲jigong况

侧向冲击工况中,电池包主要承受自shenzhong力及侧向冲击力,图3为此工况xiadian池包结构等效应力与位移分布云图。

由图3可以看出,侧向冲击工况下,电池包结构的最大等效应力为131.9 MPa,发生在后横梁与底座左后安装孔位置,最大位移为0.114 8 mm,发生在底座左前端位置。

2.3 过坑工况

当整车行驶在有浅坑的路面时,此时电池包结构除了承受自身的重力外,还受到由于电池包在起fu过程而产生的沿竖直方xiangde惯性力。图4为过坑工况下,电池包结构等效应力与位移分布云图。

由图4可以看出,过坑工况下,电池包结构的最大等效应力为380.7 MPa,发生zaiyou前支撑架安装孔位置,最大位移为0.541 8 mm,发生在盖板左上方位置。

2.4 倒车shangtai阶工况

整车在倒车上台阶时,电池包除了承受自身的重力外,还受到由于整车上台阶而产生的竖直方向的惯性力。图5为倒车上台阶工况下,电池包结构等效应力与位移分布云图。

由图5可以看出,倒车上台阶工况下,电池包结构的最大等效应力为274.4 MPa,发生在后横梁与底座左后安装孔位置,最大位移为0.324 6 mm,发生在底座与盖板右前安装孔位置。

2.5 垂直冲击工况

当整车行驶在严重凹凸不平(即有较大落差)的路面时,电池包除了承受电池组的重力外,还受到由于整车突然下落而产生的竖直方向的惯性力。图6为垂直冲击工况下,电池包结构等效应力与位移分布云图。

由图6可以看出,垂直冲击工况下,电池包结构的最大等效应力为306.1 MPa,发生在右前支撑架安装孔位置,最大位移为0.336 7 mm,发生在底座与盖板右前安装孔位置。

2.6 组合工况

组合工况综合考虑了整车行驶过程中的各种状况,此工况下,电池包结构主要承受重力及沿竖直方向的惯性力。图7wei组合工况下,电池包结构等效应力与位移分布云图。

由图7可以看出,组合工况下,电池包结构的最大等效应力为238.6 MPa,发生在左前支撑架安装孔位置,最大位移为0.266 3 mm,发生在高压仓盖板左前方位置。从各个工况下的分析结果可以看出,电池包的变形主要产生在电池包前侧位置,最大等效应力主要产生在支撑架位置。电池包钣金件采用的DC01材料的极限强度为410 MPa,根据可靠度设计标准,取安全系数为1.6,因此许用应力为256.25 MPa。在过keng倒车上台阶、垂直冲击工况下电池包的最大等效应力分别为380.7 MPa,274.4 MPa,306.1 MPa,均已超过了材料的许用应力,故电池包原结构设计方案不能满足强度要求,需对其结构进行改进。

3 电池包结构改进设计

仿真结果表明电池包的最大应力及变形主要发生在支撑架和电池包前侧位置,据此提出以下优化改进措施:为了增加结构强度,在两个后支撑架处分别加焊一块加强板,与整车固定的连接孔开在加强banxie面上;为了增加电池包的刚度,减小电池包前侧变形量,在电池包前侧增加与整车相连接的防撞梁。图8为电池包结构改进前后对比。

由于过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下原电池包结构的强度不满足要求,故对改进的电池包在此三种工况下的结构强度进行比较分析。图9~图11分别为优化电池包结构在过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下的等效应力与位移求解结果。

由以上分析结果可知,改进的电池包结构在过坑、倒车上台阶、垂直冲击工况下的最大等效应力分别为241.4 MPa,205.9 MPa,235.2 MPa,均已小于其材料的许用应力256.25 MPa,满足强度设计要求。

4 结 论

文中利用有限元法对某款混合动力汽车用电池包结构进行典型工况下的强度分析。分析结果表明,原电池包结构在过坑、倒车上台阶以及垂直冲击工况下,其最大等效应力均已超出所用材料的许用应力,无法满足电池包的强度shi用要求;因ciwen中通过增加与整车连接的防撞梁和后支撑架加强板以改进电池包结构设计。改进结构的仿真分析结果表明,电池包在各工况下的整体位移、最大等效应力均得到显著改善,最大等效应力值为241.4 MPa,小于材料的许用应力256.25 MPa,满足电池包结构强度要求,达到了预qi设计目标,对于提高电池包的使用安全性、可靠性具有重要yi义。

注:本文通讯作者为陈小丹。

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xian代电子技术 2017年16期

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