CAE分析技术应用在电池领域

2021年4月21日
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电池的安全问题续航问题成为制约电动化技术发展的头号公敌。而在这两大问题之中,竟都还有CAE的用武之处:以CAE技术复现电池使用中的各种极端场景,提前采取措施保证电池的使用安全;然后在保证安全的前提下,以轻量化手段优化电池包结构提升电动汽车的续航能力

CAE分析技术应用在电池领域
那么,我们从CAEer的视角来看看,我们能为此干些啥吧。或者换个说法,电池开发过程中,具体有哪些问题是需要CAE技术来解决的。
1、静刚度分析
静刚度分析是CAE分析的一大分支,大致原理就是对物体施加一个载荷,看物体有多大变形。具体到电池包,衍生出一个工况,称为4g强度。需要约束电池包所有的安装点,分别对电池包施加X/Y/Z三个方向的加速度,大小为4g,这个工况考察的是电池包系统本身的结构强弱,因此结果也是要求,电池包在这种情况下不能出现零件断裂,保护电池包系统的结构在车辆在失重状态下的安全性。
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2、动刚度分析

动刚度分析也称模态分析,这是一般结构分析的基本工况。用来考察电池包的本身结构特性-共振频率,要求电池系统不能轻易的被激励起共振现象,所以我们一般也会定义一个下限值,要求第一阶模态不低于某个值,从而避免共振的发生,保护电池系统的结构在低阶激励(如发动机怠速激励)的安全性。

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3、随机振动分析/疲劳分析

电池包有个测试试验,叫随机振动测试(GB31467.3-2015)。这个试验也就是为了测试电池系统在某个功率谱密度的测试中是否会出现累积损伤,也是为了保护电池系统结构在长期使用中被各种外在激励蹂躏后的安全性。

下面这篇网文,是专门介绍电池包疲劳仿真的,感兴趣的朋友可以看看。

4、上盖承重刚度分析

也称为抗压分析。电池包安装在车底或者后备箱下面,电池包在生产、搬运、安装、使用过程中,总是不可避免地会受到外在挤压,尤其是上盖。而上盖和内部的模组之间的距离一般较小,为了防止上盖受外力变形挤压到模组,必须保证上盖的刚度足够大,以此保证模组不受“侵犯”。

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5、静态挤压分析

电池包有一个挤压的测试试验,考量的是车辆这激烈碰撞中,障碍物侵入到电池包内部,是否会引起电池包大变形,进而使得电池起火发生爆炸。测试中用的压头(半径75mm,长度1000mm)沿着几个不同的方向缓慢挤压电池包,一般要求电池包足够强,当压头挤压力达到某个很大的值时,电池包变形都没有挤压到模组,视为合格。

6、滑车试验

滑车实验是整车测试一个环节,试验中把车放到滑轨上,使车沿几个不同的方向快速滑动,加速度30g,检查车辆各个部件的损坏情况。这其中就包含电池系统。脱落什么的就不提了,肯定不可以出现。电池包上出现裂纹都不被允许。出现裂纹就意味着结构还不够稳定,容易失控,失控就是断裂,大变形,起火,爆炸。。。。所以,一般针对电池包本身,也会进行滑车的测试。

7、碰撞安全

当车辆侧面被其他车撞到,或者自己不小心别到树桩什么的,也有可能引起电池包的变形,进而起火爆炸。所以,这个也得仿真。不过这个仿真工况,一般针对整车,进行侧碰和柱碰测试。所以出了问题也不一定是电池包不够强,也有可能是车身结构的不够好,具体怎么优化,还得看车企怎么取舍。

8、电池包跌落

跌落分析不是新鲜事了,手机可以分析跌落,车门可以,电池包也自然可以。模拟的也就是电池包在生产运输过程中出现跌落时受到的伤害。视跌落的情形不同,要求也是不同的,重度跌落不允许开裂,轻度跌落不允许产生大变形等。

9、电池包翻转

翻转也是发生在生产运输中的,电池包由于自身重量和翻转速度,也是容易使结构出现损坏的,模拟一般是为了规定在运输中的操作规范。

10、底部球击

电池包是安装在车底的,车辆在行驶过程中,可能会被车底的石头之类的东西打到或者挤到,使得电池包产生变形,进而引发安全事故。测试中会把障碍物简化为一个圆头的柱子,使其挤压经过电池包底部,测试电池系统的反应或者电池包的变形。

11、电池包散热分析

热分析是电池设计中非常重要的一环。热散不出去也是非常容易引起电池起火的。关于如何进行热分析,可以看看下面这篇文章。

CAE分析技术应用在电池领域

总结:

不管是测试还是仿真,都是在考量汽车电池在各种使用场景下,电池系统的安全特性。尽管类目非常多,要求非常高,但兢兢业业的工程师们前赴后继投入其中,解决完所有问题后,还要继续进行轻量化研究,以对电池系统进行减重。而轻量化,则又是另一个非常沉重的话题了。

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