新能源汽車電池組焊點模擬及擠壓分解計算

電池組作為新能源汽車的核心元件，其結構安全性的保證是新能源汽車在運行過程中必不可少的。本文對某型號電池組進行了擠壓分解計算，分解過程中考慮到電池組裝配模型的復雜性及Abaqus/Explicit模塊中單元類型的局限性，采用C3D8R單元模擬焊點，避免了剛性單元模擬焊點時局部剛度過大以及嚴重依靠網格的弊端。

1前言

在高油價和低排放的雙重背景下，發展新能源成為了低碳環保節能減排的必然選擇，新能源汽車也得到了越來越多的關注。發展新能源汽車已經成為世界各國的共識，中國為實現到2020年單位國內加工總值CO2排放比2005年下降40%~5%的目標和汽車產業彎道超車的歷史使命，將其列入七大戰略性新興產業之中。

蓄電池作為混動和純電動車的動力來源之一，在整車上承擔著緊要的作用。而電池組殼體則起著保證電池包安全和正常工作的關鍵作用。為保證電池組系統的正常工作，GB/T中對電池組的擠壓性能提出了要求。

本分解的目的就是通過計算機仿真的辦法檢驗電池組是不是可以滿足國標對電池組擠壓性能的要求。在動力驅動系統開發早期，對電池組的抗擠壓特性進行合理的評估和改進可以減少設計周期，降低風險，保證電池組能滿足安全性能的要求，同時保證零件的局部強度性能。

由于電池組里零部件眾多，普遍采用的是點焊技術進行結構連接。焊點結構的特殊性對電池組結構強度、剛度均有很大的影響。

目前，主要的焊點解決方式有以下幾種：

1)剛性連接法：該辦法是在兩個零部件連接部位建立剛性連接單元，可以采用六自由度或三自由度(只約束平動)的連接方式，使兩個節點在被約束自由度上有相同的位移，這種連接方式會導致局部結構剛度偏大，局部連接區域會萌生較分明的應力聚集現象。

2)公共節點法：該辦法是將不同零部件上對應的節點合并，相鄰零部件在點焊處采用同一節點，這種連接方式對模型要求較高，對應節點位置相差不能太遠，單元網格的質量要求比較高，且無法模擬焊點斷裂的情況。

3)公共單元法：該辦法是在點焊連接處建立三維單元來模擬焊點，并把該單元與相鄰零部件Tie在一起。這種辦法解決起來工作量比較大，但是精度較高，力和力矩通過實體單元來進行傳遞，更加符合實際工況。

2電池組擠壓計算模型

電池組的擠壓是采用半圓柱體對電池組外殼從X方向實行擠壓，擠壓距離控制在電池組該方向長度的30%，電池組的有限元模型如圖1所示。

圖1.有限元模型圖

2.1邊界條件

X方向的擠壓模型如圖2所示，電池組放置于支撐板和擠壓板之間，以較小的速度來進行擠壓，用準靜態來模擬靜態受力。

考慮到電池組前擠壓面與后擠壓面之間存在一個高度差，在擠壓過程中會萌生一個轉矩，導致電池組在擠壓過程中翻轉，并且隨著電池組的翻轉，高度差會增加，從而萌生更大的轉矩。因此，需要在電池組翻轉初期對其進行控制，限制住電池組在擠壓過程中不符合實際的移動變形。

根據ZMP(zeromomentpoint)理論[10]，電池組所受到的合力(外力、慣性力、重力)的延長線的交點稱為ZMP，當ZMP位置位于電池組與支撐板接觸范圍內時，電池組將不會萌生翻轉。假設接觸面的Z向位置為0，且準靜態不考慮慣性力，則ZMP位置表達式為：

由于在本次計算中，Y向沒有不平衡力矩，因此只需要調整ZMP的X坐標。為了盡可能小的約束模型，同時達到抑制電池組在擠壓中翻轉的問題，采用剛度較小的SPRINGA單元連接電池組前端位置，如圖3所示，其剛度的簡略計算公式如下：

ReactionForce∗HeightDifference=SpringForce∗PackageLength(2)

圖2.電池組X方向擠壓模型

圖3.電池組受力分解圖

3焊點模型

首先先導入焊點幾何位置，并在焊點位置建立ACM焊點，得到該位置焊點的有限元模型，如圖4所示。

圖4.電池組焊點模型

目前，Dcoup3D單元類型目前只支持使用于Abaqus/Standard中，其關鍵字如下：

*ELEMENT，TYPE=DCOUP3D，ELSET=name

ElementID，NodeID

*DISTRIBUTINGCOUPLING，ELSET=name　NodeID，WeightFactor

NodeID，WeightFactor

NodeID，WeightFactor

NodeID，WeightFactor

這種焊點建立方式是在兩層單元中建立一個實體單元，將實體單元中相似的節點與焊接面上的單元建立Coupling連接，并可以設定相應的權重系數。

值得留意的是Dcoup3D類型單元并不能被Abaqus/Explicit識別，因此采用C3D8R單元代替Dcoup3D單元，并建立焊點單元與焊接面之間的Tie連接。這種連接方式相比于剛性連接和共節點的連接方式，不會增加局部的剛度，精度更高，更加逼近于焊接的真切情況。

4計算結果及分解

X方向

依據GT/B對電池組抗擠壓性能的評價體系，本文對電池組擠壓分解結果進行了分解，通過對電池組在擠壓過程中的變形(Displacement)、等效應力(vonMisesStress)、結構整體剛度(ReactionForce-Displacement Curve)等幾項指標進行了分解。

在擠壓過程中，電池組殼體的變形形式決定了能否提供足夠的剛度來保護內部電池元件之間不會發生相互干涉，同時也確保電池不會受到擠壓而發生電池液泄露等安全事故，因此電池組的變形及位移是作為評價電池組抗擠壓性能的緊要指標之一。

圖5位X方向擠壓過程中電池組不同時刻的位移云圖。

圖5.電池組X方向擠壓不同時刻位移云圖

圖6.電池組變形形式

在電池組受擠壓后，最開始的變形發生在與擠壓面接觸的地方，從變形中可以看出，變形最大的部位發生在與擠壓圓柱接觸區域，且電池組下半部分變形大于上半部分，這主要是因為電池組外殼體結構呈現為階梯型構造，導致電池組的變形呈現出一種向上凸起折疊的形式，如圖6所示。

圖7.電池組X方向擠壓不同時刻應力云圖

等效應力通常是作為判斷材料是不是進入塑性的關鍵參數，尤其是作為判斷關鍵區域材料是不是滿足強度要求的主要參考值，因此等效應力也是作為電池組抗擠壓性能的緊要指標之一。圖7為X方向擠壓過程中不同時刻的vonMises應力云圖。

由于在擠壓過程中涉及到比較大的變形和力，大部分材料會進入塑性區域，電池組應力比較大的區域主要聚集在受擠壓區域以及各個部位倒角處，以及焊接連接處。由于底盤結構的特殊性，底盤上應力值整體都處于比較高的值，尤其是在階梯狀的倒角處，該部位變形分明，底盤應力云圖如圖8所示。

圖8.電池組底盤應力云圖

支反力-位移曲線作為評價整體結構剛度的最為直觀的參數，是考查電池組抗擠壓性能的關鍵指標。

圖9為電池組在擠壓過程中擠壓板上的支反力時間歷程，可以看出支反力在擠壓初期處于比較小的階段，這主要是在擠壓初期，變形位置主要發生在與擠壓板接觸的支架上，剛度較低。

在0.06s-0.1s之間，擠壓板開始擠壓電池組主要結構，同時支架的變形還在持續，這個狀態下電池組整體剛度最大，支反力急劇上升，在0.1s之后，支架基本貼合到電池組主體上，整體結構剛度趨近于線性。

圖9.擠壓板支反力時間歷程

5結語

采用實體單元模擬汽車零部件之間的焊接點有比較高的精度，且符合實際焊接情況。

通過Abaqus/Explicit擠壓分解計算，得到了新能源汽車電池組的抗擠壓性能參數，保證了電池組在車輛運行過程中的安全性。合理的、流程化的CAE分解計算過程，能夠有效的簡短開發周期降低開發成本，對產品的設計和優化提供相應根據。

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