一种基于CAE的电池包模拟碰撞仿真及评价方法

技术领域

本发明属于汽车仿真技术领域，具体涉及一种基于CAE的电池包模拟碰撞仿真及评价方法。

背景技术

在环境保护及能源危机的前提下，纯电动汽车应运而生，且其保有量逐年增加。动力电池作为电动汽车的核心部件，其安全性能直接关系到乘员的生命安全，备受人们关注。

动力电池通常布置在地板下面，汽车在行驶的过程中受到碰撞后，力会通过纵梁传递到动力电池上，确保电池受到碰撞力作用后的安全，也是销售者比较关心的。因此，在电池包研发过程中，需要对其碰撞后的安全性能进行评价。

现有技术中，对动力电池包碰撞安全进行的研究，主要是通过整车试验、模拟碰撞试验两种方式实现的；试验成本高，试验周期长，当试验过程中发现电池存在安全风险时，具有安全隐患，并且需要对电池重新进行多次优化和试验；随着计算机技术的发展，现有技术中有另外一种评价方法是通过整车碰撞仿真进行评价：建立包括电池包在内的整车模型，模拟碰撞过程并对电池包进行评价。该方法优点是：可获得碰撞过程中电池包的变形情况，分析结果直观；其缺点是：建模工作量大，计算周期极长，无法满足电池包研发阶段的周期要求。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种基于CAE的电池包模拟碰撞仿真及评价方法，本发明不仅建模方法简单，而且在电池包的设计阶段就可以对其碰撞安全的性能进行预估，指导设计，缩短产品研发周期。

一种基于CAE的电池包模拟碰撞仿真及评价方法，包括如下内容：

步骤一，根据电池单体的初始参数，构建电池单体仿真模型；

步骤二，建立电池模组仿真模型，所述电池模组仿真模型包括多个电池单体仿真模型，其中任意相邻的两个电池单体仿真模型之间通过粘胶连接；

步骤三，根据电池包壳体的初始参数，构建电池包壳体仿真模型；

步骤四，构建电池包仿真模型，所述电池包仿真模型包括电池模组仿真模型，以及电池包壳体仿真模型；

步骤五，建立电池包模拟碰撞仿真模型，所述电池包模拟碰撞仿真模型通过对所述电池包壳体的固定点处施加模拟碰撞脉冲载荷，模拟电池包受到碰撞时的工况，进而实现电池包模拟碰撞仿真模型的分析；

步骤六，电池包仿真模型在模拟碰撞分析完成后，提取电池包壳体表面的应变值，判定模拟碰撞后应变值是否满足预设条件，若满足，则电池包壳体的结构及连接点布置能够作为电池包设计参数设计电池包；若不满足预设条件，需要优化电池包壳体的结构及连接点布置，直到满足模拟碰撞后应变值的预设条件为止；

步骤七，电池包仿真模型在模拟碰撞分析完成后，提取每个电池单体的位移量，判定模拟碰撞后位移量是否满足预设条件；若满足，则电池包壳体的结构及连接点布置能够作为电池包设计参数设计电池包；若不满足预设条件，需要优化电池包壳体的结构及连接点布置，直到满足模拟碰撞后位移量的预设条件为止。

所述步骤一在搭建电池单体仿真模型之前，为了获得精确的电池单体仿真模型，需要对电池单体进行挤压试验，获得试验挤压力-试验位移曲线；

同时对构建的电池单体仿真模型进行模拟挤压试验，其加载方式和边界条件与电池单体的挤压试验保持一致，获得仿真挤压力-仿真位移曲线，通过修正电池单体仿真模型，使仿真挤压力-仿真位移曲线与试验位移曲线的偏差控制在设定值范围内，用来标定电池单体仿真模型。

所述步骤三在搭建电池包壳体仿真模型之前，为了获得精确的电池包壳体仿真模型，需要进行电池包壳体的挤压试验，测得仿真挤压力-仿真位移曲线，以及电池包壳体挤压破坏时，每个固定点与电池壳体连接处的应变值，以及电池壳体表面的应变值；

同时对构建的电池包壳体仿真模型进行模拟挤压试验，其加载方式和边界条件与电池包壳体的挤压试验保持一致，获得仿真挤压力-仿真位移曲线，通过修正电池包壳体仿真模型，使仿真挤压力-仿真位移曲线与试验位移曲线的偏差控制在设定值范围内，用来标定电池包壳体仿真模型。

所述步骤四中，电池包仿真模型，还包括：电池包壳体和与台车连接的固定结构。

所述步骤五中，电池包模拟碰撞仿真模型的分析，还包括：将试验对象水平安装在带有支架的台车上，根据试验对象的使用环境给台车施加X向和Y向的模拟碰撞脉冲，其中，X向和Y向的定义与常规的整车坐标系一致；对于试验对象存在多个安装方向的，则按照加速度大的安装方向进行试验。

所述步骤五中，电池包模拟碰撞仿真模型的分析中所述模拟碰撞脉冲根据电池包装配车辆的整备质量进行区分。

本发明的有益效果：

本发明提供一种基于CAE的电池包模拟碰撞仿真及评价方法，该电池包碰撞安全的仿真建模及评价方法通过挤压试验建立标定后的电池单体仿真模型；通过挤压试验建立标定后的电池包壳体仿真模型；依次建立电池模组仿真模型、电池包模型；通过建立模拟碰撞工况模型，施加模拟碰撞脉冲载荷用于模拟受到碰撞载荷时的工况；模型真实可靠，并且通过CAE仿真模拟，节约人力与物力，避免了实际测试中爆炸起火的危险性。

本发明通过模拟测试方法不断更新和优化布置和结构形式，直到有限元模型的结构满足预设条件为止；因此，可及时识别设计布置中的缺陷，优化方案迭代速率快，降低开发成本和设计周期，提升设计效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明流程图；

图2为本发明对电池单体进行挤压试验时的示意图；

图3为本发明对电池包壳体进行挤压试验时的示意图；

图4为本发明对电池包模型进行模拟碰撞工况的示意图；

图5为本发明模拟碰撞脉冲载荷曲线示意图。

图中：10、壁障；20、固定装置；30、电池单体；40、电池包壳体；50、固定点处。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例1

如图1所示，一种基于CAE的电池包模拟碰撞仿真及评价方法，包括如下内容：

步骤一，根据电池单体的初始参数，构建电池单体仿真模型；

步骤二，建立电池模组仿真模型，所述电池模组仿真模型包括多个电池单体仿真模型，其中任意相邻的两个电池单体仿真模型之间通过粘胶连接；

步骤三，根据电池包壳体的初始参数，构建电池包壳体仿真模型；

步骤四，构建电池包仿真模型，所述电池包仿真模型包括电池模组仿真模型，以及电池包壳体仿真模型；

步骤五，建立电池包模拟碰撞仿真模型，所述电池包模拟碰撞仿真模型通过对所述电池包壳体的固定点处施加模拟碰撞脉冲载荷，模拟电池包受到碰撞时的工况，进而实现电池包模拟碰撞仿真模型的分析；

步骤六，电池包仿真模型在模拟碰撞分析完成后，提取电池包壳体表面的应变值，通过软件直接测量，判定模拟碰撞后应变值是否满足预设条件，若满足，则电池包壳体的结构及连接点布置能够作为电池包设计参数设计电池包；若不满足预设条件，需要优化电池包壳体的结构及连接点布置，直到满足模拟碰撞后应变值的预设条件为止；

步骤七，电池包仿真模型在模拟碰撞分析完成后，提取每个电池单体的位移量，判定模拟碰撞后位移量是否满足预设条件；若满足，则电池包壳体的结构及连接点布置能够作为电池包设计参数设计电池包；若不满足预设条件，需要优化电池包壳体的结构及连接点布置，直到满足模拟碰撞后位移量的预设条件为止。

所述步骤一在搭建电池单体仿真模型之前，为了获得精确的电池单体仿真模型，需要对电池单体进行挤压试验，获得试验挤压力-试验位移曲线；

同时对构建的电池单体仿真模型进行模拟挤压试验，其加载方式和边界条件与电池单体的挤压试验保持一致，获得仿真挤压力-仿真位移曲线，通过修正电池单体仿真模型，使仿真挤压力-仿真位移曲线与试验位移曲线的偏差控制在设定值范围内，用来标定电池单体仿真模型。

所述步骤三在搭建电池包壳体的仿真模型之前，为了获得精确的电池包壳体仿真模型，需要进行电池包壳体的挤压试验，测得仿真挤压力-仿真位移曲线，以及电池包壳体挤压破坏时，每个固定点与电池壳体连接处的应变值，以及电池壳体表面的应变值；

同时对构建的电池包壳体仿真模型进行模拟挤压试验，其加载方式和边界条件与电池包壳体的挤压试验保持一致，获得仿真挤压力-仿真位移曲线，通过修正电池包壳体仿真模型，使仿真挤压力-仿真位移曲线与试验位移曲线的偏差控制在设定值范围内，用来标定电池包壳体仿真模型。

所述步骤四中，电池包仿真模型，还包括：电池包壳体和与台车连接的固定结构。

所述步骤五中，电池包模拟碰撞仿真模型的分析中将试验对象水平安装在带有支架的台车上，根据试验对象的使用环境给台车施加X向和Y向的模拟碰撞脉冲，其中，X向和Y向的定义与常规的整车坐标系一致；对于试验对象存在多个安装方向，则按照加速度大的安装方向进行试验。

所述步骤五中，电池包模拟碰撞仿真模型的分析，还包括：所述模拟碰撞脉冲根据电池包装配车辆的整备质量进行区分。

实施例2

一种基于CAE的电池包模拟碰撞仿真及评价方法，不仅建模方法简单，而且在电池包的设计阶段就可以对其碰撞安全的性能进行预估，指导设计，缩短产品研发周期。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式做详细说明。

图1示出了本实施例基于CAE的电池包模拟碰撞仿真及评价方法流程图。请参考图1，提供了一种基于CAE的电池包模拟碰撞仿真及评价方法，该方法包括以下步骤：

S10：根据电池单体的初始参数，构建电池单体仿真模型；

本实施例中示例性的给出了为了获得精确的电池单体仿真模型，通过挤压试验进行电池单体模型标定的具体方法和结构示意；

步骤101：对电池单体30进行挤压试验，得到挤压力-位移曲线；

具体地，如图2所示，通过固定装置20约束电池单体30在X和Y方向的自由移动；通过壁障10对电池单体30沿X方向施加挤压力，壁障10的加载速率为1mm/s，获得电池单体20受力后的位移量；通过试验挤压力-试验位移曲线获得电池单体20在保证安全的情况下最大位移量，为后续电池包的安全评估提供依据。

步骤102：构建的电池单体仿真模型，需要进行模拟挤压试验，其加载方式和边界条件与电池单体的挤压试验保持一致，获得仿真挤压力-仿真位移曲线，通过修正电池单体的仿真模型，使仿真挤压力-仿真位移曲线与试验位移曲线的偏差控制在设定值范围内，用来标定电池单体的仿真模型；

S20：建立电池模组仿真模型，所述电池模组仿真模型包括多个电池单体仿真模型，任意相邻的两个电池单体仿真模型之间通过粘胶连接；

S30：根据电池包壳体的初始参数，构建电池包壳体的仿真模型；

本实施例中示例性的给出了为了获得精确的电池包壳体仿真模型，通过挤压试验进行电池包壳体模型标定的具体方法和结构示意；

步骤201：对电池包壳体40进行挤压试验，测量电池壳体的变形；

具体地，如图3所示，通过固定装置20约束电池包壳体40在X和Y方向的自由移动；通过壁障10对电池包壳体40沿X方向施加挤压力，壁障10的加载速率为1mm/s，获得电池包壳体40受力后的位移量以及试验挤压力-试验位移曲线；可以测量获得电池包壳体40挤压破坏时，每个固定点与电池壳体连接处的应变值，以及电池壳体表面的应变值，为后续电池包壳体40的评估提供依据。

步骤202：构建的电池包壳体仿真模型，需要进行模拟挤压试验，其加载方式和边界条件与电池包壳体的挤压试验保持一致，获得仿真挤压力-仿真位移曲线，通过修正电池包壳体的仿真模型，使仿真挤压力-仿真位移曲线与试验位移曲线的偏差控制在设定值范围内，用来标定电池包壳体的仿真模型；

S40：构建电池包仿真模型，所述电池包模型包括电池模组仿真模型，以及电池包壳体模型；

具体地，所述电池包仿真模型，还包括：电池包壳体与台车连接的固定结构组成；

S50：建立电池包模拟碰撞仿真模型，所述电池包模拟碰撞模型通过对所述电池包壳体的固定点处施加模拟碰撞脉冲载荷，模拟电池包受到碰撞时的工况；

如图4，电池包模拟碰撞模型通过对所述电池包壳体的固定点处50施加模拟碰撞脉冲载荷，模拟电池包受到碰撞时的工况；

如图5，模拟碰撞脉冲载荷控制在最大和最小区间内，可以根据电池包装配车辆的整备质量进行区分；

具体地，上述电池包模拟碰撞仿真模型的分析，还包括：将试验对象水平安装在带有支架的台车上，根据试验对象的使用环境给台车施加X向和Y向的模拟碰撞脉冲，其中，X向和Y向的定义与常规的整车坐标系一致；对于试验对象存在多个安装方向，可按照加速度大的安装方向进行试验；

S60：电池包模型在模拟碰撞分析完成后，提取电池包壳体的应变值，可通过软件直接测量，判定模拟碰撞后应变值是否满足预设条件，若满足，则电池包壳体的结构及连接点布置，可作为电池包设计参数设计电池包；若不满足预设条件，需要优化电池包壳体的结构及连接点布置，直到满足模拟碰撞的预设条件为止；

S70：电池包模型在模拟碰撞分析完成后，提取每个电池包单体的位移量，判定模拟碰撞后位移量是否满足预设条件。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明的保护范围并不局限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。