1. 前言 

近年来，随着环保要求日益提高，世界各国的排放标准日益严格，新能源汽车尤其是电动车市场前景大好，各大主机厂与造车新势力纷纷投入大量资本与精力。动力电池，作为汽车能量的提供者，也成为汽车的新的“油箱”。

 

由于续航里程与电池充放电特性的要求，当前动力电池往往采用锂电池模组串并联组成。而续航里程的高要求势必导致在当前电芯的技术条件下的动力电池包体积越来越大。

 

所以大体积的动力电池包就脱离了发动机舱的?；?，往往被固定在汽车驾驶舱与成员舱的下方。这样，电池包的结构安全性能就成为生产厂家与车主关注的重点之一。电池包造价高昂，所以在开发阶段采用有限元手段部分代替试验，进行结构强度验证就至关重要，并且能够节约大量的开发时间与开发成本。在众多有限元软件中，Abaqus 以丰富的单元种类、较多的材料模型、大量的接触与连接类型、强大的非线性求解能力和较强的上下游分析软件兼容性等优点被更多 CAE 工程师采用。

 

本文以某型动力电池包为例，采用 Abaqus/Explicit 与 Abaqus/Standard 对冲击工况进行模拟。

 

2. 锂电池包机械冲击试验标准简介

机械冲击是指机械系统或其中的一部分受到突然、急剧、非周期性的激励时，发生的时间甚至快于系统固有振动周期的状态的骤然变化。动力电池包进行机械冲击试验主要目的是为了校核车辆在突然加减速，或车轮掠过凹坑或石块的工况时动力电池包的结构强度，也能反映动力电池包的结构刚度与应力集中位置。

 

国家标准 GB/T 31467.3-2015《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》对机械冲击的要求如下：

1) 测试对象为锂离子电池包或系统。

2) 对测试对象施加 25g、15ms 的半正弦冲击波形，z 轴方向冲击 3 次。

3) 相邻两次冲击的间隔时间以两次冲击在试验样品上造成的响应不发生相互影响为准，一般应不小于 5 倍冲击脉冲持续时间。

4) 试验结束后，应在试验环境温度下观察 2h。

 

3. 有限元模型建立与边界条件确定

3.1 有限元模型

动力电池包冲击工况计算的有限元模型主要包括动力电池包下箱体、上箱体、电池模组等，如图 1。模型主要采用壳单元与实体单元建立，下箱体的关键位置需要细化，选取尺寸较小、形状规则的单元，同时要求严格控制三角形单元数量与位置，以保证求解精度。有限元模型的单元类型选取与规模见表 1 所示。

 

表 1. 各零部件单元类型与节点数量

 

 

同时需要注意的是，由于机械冲击采用 Abaqus/Explicit 求解器进行动力学计算，所以

根据求解器特点，进行如下模型设置。

1) 接触区域进行简化，均采用 TIE 连接；

2) 螺栓采用刚性单元简化；

3) 不关注的零部件在用质量点进行代替。

 

 

图 1. 有限元模型剖切视图

 

3.2 材料非线性

等效塑性应变是用来确定材料经强化后屈服面的位置的物理量，是评价动力电池包冲击工况的重要依据。所以在进行机械冲击分析时，必须采用材料非线性，也就是必须定义具有非线性的应力应变关系的材料属性。Abaqus 软件支持用户使用*PLASTIC 选项定义金属材料的塑性性能。如图 2 所示。

 

 

图 2. 某金属材料应力应变曲线

 

3.3 边界条件建立

本次有限元分析在动力电池包的安装点位置施加加速度波形，同时约束其他方向自由度。

 

4. 单次冲击分析与计算结果

按照国标规定，施加 Z 向冲击载荷，得到的单次计算结果如图 3~图 4 所示。

 

 

图 3. 单次冲击下箱体 Mises 应力计算结果

 

 

图 4. 单次冲击下箱体等效塑性应变计算结果

 

根据计算结果可知，动力电池下箱体在单次冲击载荷下局部位置达到材料的塑性区域，发生塑性变形。最大的等效塑性应变位置主要发生在焊点周围。

 

5. 多次冲击分析与计算结果

国家标准规定机械冲击试验单方向要进行 3 次，所以为保证有限元模拟与实际试验一致，也要进行 3 次冲击模拟。但是针对单次冲击结果进行检查，发现在冲击结束时刻结构加速度并未归零，意味着结构并未达到静力平衡状态，如图 5 所示。

 

 

图 5. 单次冲击结束时刻下箱体加速度云图

 

由于结构阻尼的存在，结构振动必将衰减，最终达到静平衡状态。所以将单次冲击加速度波形改为如图 6 所示，即在 15ms 振动冲击结束后增加 30ms 的平衡时间。有限元计算关键节点的加速度波形如图 7 所示。

 

 

图 6. 更改后的单次冲击载荷时间历程曲线

 

 

图 7. 关键节点加速度与时间曲线

 

通过更改后的单次冲击分析发现结构的波动将持续较长的一段时间，超过单次冲击时间的 2 倍后结构依旧没有达到平衡状态。由此可见想要依靠结构阻尼达到结构稳定，以避免两次冲击结果互相干扰，将会花费大量的计算时间与计算资源，甚至有可能不能实现。

 

Abaqus 可以通过 import 功能来实现动力学到静力学、静力学到动力学的重启动分析，由于静力学分析中不存在动能与加速度，所以能够较快的消除结构的动能，实现结构稳定。在每次动力学后面进行一次静力学分析，采用这样的分析流程既保证了上一次冲击结束时的不平衡状态对下一次冲击的影响，同时也实现了多次冲击结构变形、应变的累加。关键节点的等效塑性应变结果如图 8 所示。

 

 

图 8. 关键节点三次冲击的等效塑性应变累计曲线

 

6. 结论

利用 Abaqus/Explicit 与 Abaqus/Standard 进行动力学与静力学间的转换分析等够精确模拟动力电池冲击工况分析。从计算结果得知：

1) 单次动力冲击分析结束后结构不能达到静力平衡状态，会对下一次冲击计算结果产生

影响，并且依靠结构阻尼无法短时间内实现结构精力平衡。

2) 对比单次动力冲击分析，三次冲击分析更接近国标的试验工况，动-静转化分析能使每一次冲击后结构迅速达到静力平衡状态。但是第一次冲击的等效塑性应变占三次累计等效塑性应变的绝大部分，所以在没有特殊精确需求的情况下可以采用单次冲击进行评价。

 

资料来源：达索官方