机械碰撞起火!动力电池结构设计仿真分析做那些,怎么做?

智享新汽车 2023-06-13 07:35
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作者 | 华仿CAE 仿真秀专栏作者
首发 | 仿真秀App

导读:6月5日5时43分许,一辆浙A牌照的小型普通客车沿S2沪杭高速驶出杭州收费站时,碰撞收费站设施后起火,造成车上4人死亡。据监控及目击影像显示,事发时,这辆白色电动汽车在进入收费站时似乎没有减速,径直撞上了收费站的站台,高速导致车辆解体,有车体碎片飞溅,车辆迅速燃起熊熊大火

图片来自网络

碰撞起火是新能源汽车目前最大的安全隐患之一。“动力电池由于机械碰撞破碎或泄漏,遇到电弧或火花,就会起火且容易爆燃。锂电池的特性也让电动车起火火势迅速猛烈、难以扑灭。因此新能源车企致力于降低碰撞安全风险,这对动力电池设计、热管理系统提出了更高要求。”

而在笔者看来,和传统的燃油车相比,其实新能源车出事故的频次更低,所以从理论上讲它是更安全的。但是为什么这些事故引起大家的反应很大?因为新能源车的事故和燃油车出事故不一样,燃油车事故往往不会那么严重,而新能源车一出事故,可能会有伤亡,并且它的火比较难灭,所以大家就很敏感。

6月15日19时30分,笔者受邀在仿真秀2023动力电池与储能系统设计仿真技术讲座第三期带来《动力电池结构仿真分析与案例应用》,讲述动力电池包结构仿真分析的完整解决方案。详情见后文。

一、动力电池的可靠性与安全性

动力电池出事故就涉及到这个可靠性和安全性。可靠性是指在某些条件下动力电池能够正常运行。安全性是指某些条件下动力电池保护自身和保护成员的能力。比如车发生火情,这个就涉及到人身安全和车自身安全,那就是安全性的问题。可靠性和安全性,涉及的不仅仅是我们今天讲的结构问题,除了机械载荷,还有环境的一些影响,以及和电性能相关。

接下来给大家分享机械载荷的原因。比如显式动力学分析的跌落和挤压等,对应的工况可能会造成安全性问题。

对于动力电池结构仿真分析,其实我们的最终目的就在于提高它的可靠性和安全性。

二、研发流程

传统的研发流程是在设计之后制造一个样品,然后去做实验验证。样品实验成功之后可能还会做小批量实验,然后到大批量应用。这是传统的研发流程。

在设计和验证之间,更先进的研发流程加入了仿真环节,仿真又称之为虚拟的实验验证,实际上就是用数字模型来做实验,在电脑中做实验。如果仿真验证通过了,往往意味着我们做样品实验的成功率会更大。如果没有仿真环节,当样品实验通不过,我们很难知道为什么通不过,也不知道怎么修改设计,这无疑会增加研发周期和研发成本。

三、电池包结构设计

传统的电池结构设计大家都知道,将电芯放在模组里面,几个模组组合在一起放在电池包里面。可以称为小模组结构设计。在这个行业里面,也能听到一些电池结构设计新技术,比如CTP,是大模组设计、无模组设计。直接把电芯放在这个电池包里面,减少模组或没有模组。这样提高了能量密度,降低了制造成本。还有特斯拉的CTC,比亚迪的CTB。大家听到这些CTP、CTB、CTC都算是新技术,总体来说,电池包小模组设计当前还是主流

对于模组设计,需要考虑模组尺寸问题,模组的连接问题。模组和电芯的连接,模组和箱体之间的连接等等,对于电箱设计,需要考虑电箱和车体的连接等等,这些都是电池设计工程师需要考虑的因素。

设计工程师看到别的产品用5毫米板厚,他就用5毫米。那么用3毫米板厚是否可以,只有做了仿真才会知道。即使做实验也很难判断这个问题。所以有些问题,必须要通仿真来认识和理解。

四、电池包结构仿真

回到电池结构仿真,下图写了11个分析类型。强度和刚度分析属于静力学。定频振动和随机振动以模态分析为基础。电池结构的疲劳主要是研究定频振动和随机振动引起的振动疲劳。还有机械冲击,惯性载荷比较大。还有跌落、挤压等。另外还有耦合场分析。

对于强度刚度分析,施加惯性载荷,查看电池包的变形和应力。

对于模态分析,其实很多人忽视了模态分析的重要性。其实模态分析非常之重要,它是动力学分析的一个最基本的分析。

对于定频振动和随机振动,很多厂商有电磁振动台,根据相关规范,设置振动条件,把电池包产品放在振动台上做实验。相同的振动条件,输入到仿真软件,等于是做虚拟振动台实验。

对于疲劳分析,主要研究长时间的定频振动和随机振动引起的疲劳损伤。

对于机械冲击分析,7个G的加速度常常会导致电池包局部产生塑形变形。需要定义弹塑性材料模型。

对于跌落分析、挤压分析、球击分析等。最先着地的位置肯定会产生较大的不可恢复的变形,这种不可恢复的变形也就是塑形变形,也需要定义弹塑性材料模型。挤压分析,电池包变形更加严重。球击分析,球击位置也会产生较大的塑性变形。对于这几种分析,使用通用结构软件无法完成求解,需要使用显式动力学专用软件。

五、我的直播公开课

6月15日19时30分,笔者受邀在仿真秀2023动力电池与储能系统设计仿真技术讲座第三期带来《动力电池结构仿真分析与案例应用》,讲述动力电池包结构仿真分析的完整解决方案。涉及静力学、动力学、疲劳、显式动力学等多专业分析;前处理、设置求解、后处理的完整分析流程;和动力电池包结构仿真分析完整案例实践。以下是直播安排

、动力电池和储能好课推荐

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(完)
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