一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法与流程

1.本发明属于模拟测试技术领域，具体的说是一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法。


背景技术：

2.当前常用的动力电池一般通过ctm(电芯-模组)的模式组装，并装配在动力电池箱体中。常规的动力电池模组通过侧板、下板、端板等进行单体的组装和固定，为了减轻模组的重量，提升动力电池的能量密度，一种取消模组侧板和下板，直接采用箍带将排布好的电芯、缓冲垫、端板进行捆扎的电池模组广泛应用。这种箍带式动力电池模组往往采用上下两个箍带捆扎模组，一般情况下，下箍带采用不锈钢材料，上箍带采用尼龙材料。两个箍带通过捆扎时的预紧力施加，达到模组成组和承受重力等载荷的目的。
3.箍带的预紧力施加为当前的模组装配工况的强度性能预测带来了相当的难度。目前主要通过以下两种方式进行动力电池模组装配工况的强度耐久性能仿真：
4.第一种方式是不考虑箍带的预紧力作用，将端板、缓冲垫、电芯等采用绑定连接，在进行装配工况或其他工况有限元仿真时其不分离考虑。该模拟方式忽略箍带预紧力对端板等产生的作用力，如果端板采用塑料等低强度材料，有限元计分析结论可能与实际相悖。
5.第二种方式是将箍带的预紧力载荷按照螺栓预紧力的施加方式进行加载，即在箍带的任意位置建立预紧平面，并在预紧平面施加预紧力。该模拟方式往往受预紧平面位置影响较大，并且会对预紧平面附近的端板产生较大应力和变形，与实际相差较大。
6.因此，亟待提供一种有限元分析方法进行箍带式动力电池模组装配强度性能预测。


技术实现要素：

7.针对以上问题，本发明提供了一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，本发明充分利用有限元分析计算周期短以及预测准确等优点，能够在设计完成后及时校核箍带式动力电池模组装配工况的应力、变形等，并进行针对性优化设计，从而减少试验验证轮次，减少开发周期，从有限元建模、装配、计算、评价等全维度标准化有限元作业流程，其大大降低了工程师主观性判断带来的计算结果离散度较大问题，统一判别标准，提升了仿真效率，通过对有限元网格的建立、箍带预紧载荷的施加模拟，电芯间缓冲垫的压缩性能模拟等流程，有效解决有限元结果精度和准确度问题。
8.本发明技术方案如下，一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，包括以下步骤：
9.s1根据真实结构建立动力电池模组有限元分析模型，动力电池模组包括：铝外壳、电芯、端板、缓冲垫、第一箍带和第二箍带；其中箍带与端板接触区域、缓冲垫与电芯接触区域、缓冲垫与端板接触区域节点一一对应；
10.s2定义各零部件材料属性；
11.s3定义各零部件之间接触关系；
12.s4计算预紧工况下缓冲垫的压缩量，并作为过盈载荷；
13.s5定义有限元模型约束条件和过盈载荷；
14.s6采用牛顿法进行非线性静力学求解，计算各个结构的应力、应变；
15.s7提取箍带的拉力，判定是否符合要求；
16.s8计算有限元模型强度性能。
17.进一步的，步骤s1中，动力电池模组电芯采用六面体网格划分，铝外壳采用单层六面体结构，单个电芯厚度方向网格≥3层，在长度和宽度方向的网格尺寸≤6mm；端板厚度方向网格≥2层，与箍带接触区域网格细化，圆周方向的网格份数≥10；箍带厚度方向网格≥3层，与端板接触区域网格长宽比小于2；缓冲垫采用六面体网格划分，厚度方向为1层。
18.进一步的，步骤s2中，定义铝外壳、电芯、端板、缓冲垫和箍带的弹性模量e、泊松比μ和应力-应变曲线；其中电芯定义为弹性体，弹性模量20mpa≤e≤100mpa、泊松比0.4；缓冲垫定义为超弹泡沫，泊松比0.01。
19.进一步的，步骤s3中，端板与缓冲垫，电芯与缓冲垫设置接触关系，接触属性为小滑移，面-面接触，同时定义不可分离；端板与箍带之间接触区域设置接触关系，接触属性为小滑移，面-面接触，摩擦系数为0.04～0.12。
20.进一步的，步骤s4中，计算缓冲垫的受压面积s，
21.计算箍带的设计拉力总和f，见公式(1)：
22.f＝f
第一
+f
第二
………
(1)
23.f
第一
和f
第二
为第一箍带和第二箍带材料的设计拉力值；
24.计算缓冲垫在设计箍带拉力下的压缩应力σ，见公式(2)：
[0025][0026]
根据缓冲垫材料压缩应力-应变曲线，通过纵坐标，压缩应力σ，确定横坐标，压缩应变ε值，并根据缓冲垫初始厚度b0，确定缓冲垫的压缩量δb，见公式(3)：
[0027]
δb＝b0×
ε
……………
(3)
[0028]
取0.5δb作为缓冲垫与电芯、缓冲垫与端板之间的接触过盈量。
[0029]
进一步的，步骤s5中，采用刚性面模拟组装台面，约束刚性面参考点的六个方向自由度，电芯底面与刚性面设置有限滑移接触，选取模组长度方向中间两个节点约束长度方向自由度，选取两侧端板宽度方向中间两个节点约束宽度方向自由度。
[0030]
进一步的，步骤s5中，对端板与缓冲垫，电芯与缓冲垫的接触对设置过盈载荷，过盈载荷由s4步骤确定。
[0031]
进一步的，步骤s6中，静力学求解为几何非线性，静力学输出包括应力、应变、等效塑性应变、变形和接触压力。
[0032]
进一步的，步骤s7中，若两个箍带的拉力与设计值偏差＜3％，继续步骤s8；
[0033]
若任一箍带的拉力与设计值偏差＞3％，则调整0.5δb，或调整缓冲垫材料属性，并重复步骤s5～s7，直至符合要求。
[0034]
本发明的有益效果为：
[0035]
本发明充分利用有限元分析计算周期短以及预测准确等优点，能够在设计完成后
及时校核箍带式动力电池模组装配工况的应力、变形等，并进行针对性优化设计，从而减少试验验证轮次，减少开发周期，从有限元建模、装配、计算、评价等全维度标准化有限元作业流程，其大大降低了工程师主观性判断带来的计算结果离散度较大问题，统一判别标准，提升了仿真效率，通过对有限元网格的建立、箍带预紧载荷的施加模拟，电芯间缓冲垫的压缩性能模拟等流程，有效解决有限元结果精度和准确度问题。
附图说明
[0036]
图1为本发明方法流程图。
[0037]
图2为本发明箍带式动力电池模组装配主要结构示意图。
[0038]
图3为本发明箍带式动力电池模组长度和宽度方向约束示意图
[0039]
图中：
[0040]
1-电芯单体；2-端板；3-缓冲垫；4-第一箍带；5-第二箍带；6-模组长度方向约束点；7-模组宽度方向约束点。
具体实施方式
[0041]
需要说明的是，在本发明的描述中术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。
[0042]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；连接可以是机械连接，也可以是电连接；相连可以是直接相连，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]-种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于，包含下述步骤：
[0044]
s1、根据真实结构建立动力电池模组有限元分析模型，需要注意的是，为保证计算的收敛性和精度，箍带与端板接触区域、缓冲垫与电芯接触区域、缓冲垫与端板接触区域保证节点一一对应。
[0045]
s2、各零部件材料属性的定义。定义材料的的弹性模量、泊松比。并且定义缓冲垫材料的压缩实测曲线，即应力-应变曲线。
[0046]
s3、根据真实的结构关系建立动力电池模组各零部件间的相互作用关系，需要注意的是端板、电芯与缓冲垫之间定义为小滑移接触关系。
[0047]
s4、根据缓冲垫的受压面积、缓冲垫的材料属性估算预紧工况下缓冲垫的压缩量，并作为过盈载荷施加。
[0048]
s5、对有限元模型施加约束条件和过盈载荷。需要注意的是约束条件不能限制模组沿长度方向压缩。
[0049]
s6、静力学分析：采用牛顿法进行非线性静力学求解，计算各个结构的应力、应变等。
[0050]
s7、提取箍带的拉力，并与设计值进行判别
[0051]
s8、根据端板、电芯外壳、箍带等材料的力学特性判别结构件的破坏风险。
[0052]
s9、根据电芯单体厚度方向的压缩量和大面受力评判电芯单体的破坏风险。
[0053]
更具体为：
[0054]
(一)有限元分析模型建立
[0055]
s1、根据真实结构建立动力电池模组有限元分析模型，需要注意的是，为保证计算的收敛性和精度，箍带与端板接触区域、缓冲垫与电芯接触区域、缓冲垫与端板接触区域保证节点一一对应。
[0056]
步骤s1中，箍带式动力电池模组的结构如图2所示。
[0057]
步骤s1中，动力电池模组电芯采用六面体网格划分，铝外壳采用单层六面体结构，内部结构当量成均值材料，内部在厚度方向的网格不少于3层，在长度和宽度方向的网格尺寸不大于6mm。
[0058]
步骤s1中，动力电池模组端板厚度方向不少于2层网格，与箍带接触区域网格细化，圆周方向的网格份数在10份以上。
[0059]
步骤s1中，动力电池箍带厚度方向不少于3层网格，与端板接触区域网格长宽比小于2。
[0060]
步骤s1中，动力电池模组缓冲垫采用六面体网格划分，厚度方向为1层。
[0061]
s2、各零部件材料属性的定义。定义材料的的弹性模量、泊松比。并且定义缓冲垫材料的压缩实测曲线，即应力-应变曲线。
[0062]
步骤s2中，端板、箍带、电芯铝壳需要定义材料的弹塑性属性，即弹性区域的弹性模量e、泊松比μ。并且定义弹塑性属性，即应力-应变曲线。
[0063]
步骤s2中，电芯内部当量的均值材料定义为弹性体，弹性模量e、泊松比μ，根据电芯的不同按照经验取值，一般20mpa≤e≤100mpa，泊松比取0.4。
[0064]
步骤s2中，动力电池模组电芯间的缓冲垫材料属性按照超弹泡沫定义，根据压缩试验详细数据，即定义材料的压缩应力-应变曲线，同时定义泊松比为0.01。
[0065]
步骤s2中，动力电池模组电芯间的缓冲垫根据几何分为上下两个部分定义材料属性，分别对应第一箍带和第二箍带的作用区域。
[0066]
s3、根据真实的结构关系建立动力电池模组各零部件间的相互作用关系，需要注意的是端板、电芯与缓冲垫之间定义为小滑移接触关系。
[0067]
步骤s3中，端板与缓冲垫，电芯与缓冲垫设置接触关系，接触属性为小滑移，面-面接触，同时定义不可分离。
[0068]
步骤s3中，端板与箍带之间接触区域设置接触关系，接触属性为小滑移，面-面接触，摩擦系数选择0.04～0.12。
[0069]
(二)缓冲垫与电芯、端板过盈量确定
[0070]
s4、根据缓冲垫的受压面积、缓冲垫的材料属性估算预紧工况下缓冲垫的压缩量，并作为过盈载荷施加。
[0071]
步骤s4中，先计算缓冲垫的受压面积s。
[0072]
步骤s4中，计算箍带的设计拉力总和f，见公式(1)：
[0073]
f＝f
上
+f
下
………
(1)
[0074]
步骤s4中，计算缓冲垫在设计箍带拉力下的压缩应力σ，见公式(2)：
[0075][0076]
步骤s4中，根据缓冲垫材料压缩试验，得到压缩应力-应变曲线(σ)，通过纵坐标：压缩应力σ，公式2计算得到，在压缩应力-应变曲线(σ)找到对应位置，来确定横坐标：压缩应变ε值，并根据缓冲垫初始厚度b0，确定缓冲垫的压缩量δb，见公式(3)：
[0077]
δb＝b0×
ε
……………
(3)
[0078]
步骤s4中，取0.5δb作为缓冲垫与电芯、缓冲垫与端板之间的接触过盈量。
[0079]
s5、对有限元模型施加约束条件和过盈载荷。需要注意的是约束条件不能限制模组沿长度方向压缩。
[0080]
步骤s5中，采用刚性面模拟组装台面，约束刚性面参考点的1～6方向自由度，电芯底面与刚性面设置有限滑移接触。
[0081]
步骤s5中，选取模组长度方向中间2个节点约束长度方向自由度，选取两侧端板宽度方向中间2个节点约束宽度方向自由度，详细设置见图3所示。
[0082]
步骤s5中，对端板与缓冲垫，电芯与缓冲垫的接触对设置过盈载荷，过盈载荷由s4步骤确定。
[0083]
s6、静力学分析：采用牛顿法进行非线性静力学求解，计算各个结构的应力、应变等。
[0084]
步骤s6中，静力学求解必须开启几何非线性。
[0085]
步骤s6中，静力学输出必须包括应力、应变、等效塑性应变、变形、接触压力等。
[0086]
s7、提取箍带的拉力，并与设计值进行判别
[0087]
步骤s7中，第一箍带和第二箍带的拉力必须与设计值偏差在3％以内。
[0088]
步骤s7中，如果第一箍带和第二箍带的拉力均与设计值偏差较大，调整0.5δb(缓冲垫与电芯、缓冲垫与端板之间的接触过盈量)大小，重复步骤s5～s7。
[0089]
步骤s7中，如果第一箍带和第二箍带其中一个的拉力与设计值相符，另一个与设计值偏差较大，可以调整对应缓冲垫部分的材料属性，重复步骤s5～s7。
[0090]
(三)结果分析判别
[0091]
s8、根据端板、电芯外壳、箍带等材料的力学特性判别结构件的破坏风险。
[0092]
步骤s8中，要求结构件的mises应力小于材料的强度极限。
[0093]
步骤s8中，要求结构件的等效塑性应变小于材料的断裂延伸率。
[0094]
s9、根据电芯单体厚度方向的压缩量和大面受力评判电芯单体的破坏风险。
[0095]
步骤s9中，要求电芯单体厚度方向的压缩量小于电芯的允许侵入量
[0096]
步骤s9中，要求电芯单体大面受力小于电芯允许的压力。
[0097]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
[0098]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

技术特征：
1.一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1根据真实结构建立动力电池模组有限元分析模型，动力电池模组包括：铝外壳、电芯、端板、缓冲垫、第一箍带和第二箍带；其中箍带与端板接触区域、缓冲垫与电芯接触区域、缓冲垫与端板接触区域节点一一对应；s2定义各零部件材料属性；s3定义各零部件之间接触关系；s4计算预紧工况下缓冲垫的压缩量，并作为过盈载荷；s5定义有限元模型约束条件和过盈载荷；s6采用牛顿法进行非线性静力学求解，计算各个结构的应力、应变；s7提取箍带的拉力，判定是否符合要求；s8计算有限元模型强度性能。2.如权利要求1所述的一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于，步骤s1中，动力电池模组电芯采用六面体网格划分，铝外壳采用单层六面体结构，单个电芯厚度方向网格≥3层，在长度和宽度方向的网格尺寸≤6mm；端板厚度方向网格≥2层，与箍带接触区域网格细化，圆周方向的网格份数≥10；箍带厚度方向网格≥3层，与端板接触区域网格长宽比小于2；缓冲垫采用六面体网格划分，厚度方向为1层。3.如权利要求2所述的一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于，步骤s2中，定义铝外壳、电芯、端板、缓冲垫和箍带的弹性模量e、泊松比μ和应力-应变曲线；其中电芯定义为弹性体，弹性模量20mpa≤e≤100mpa、泊松比0.4；缓冲垫定义为超弹泡沫，泊松比0.01。4.如权利要求3所述的一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于，步骤s3中，端板与缓冲垫，电芯与缓冲垫设置接触关系，接触属性为小滑移，面-面接触，同时定义不可分离；端板与箍带之间接触区域设置接触关系，接触属性为小滑移，面-面接触，摩擦系数为0.04～0.12。5.如权利要求1至4任一项所述的一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于，步骤s4中，计算缓冲垫的受压面积s，计算箍带的设计拉力总和f，见公式(1)：f＝f
第一
+f
第二
………
(1)f
第一
和f
第二
为第一箍带和第二箍带材料的设计拉力值；计算缓冲垫在设计箍带拉力下的压缩应力σ，见公式(2)：根据缓冲垫材料压缩应力-应变曲线，通过纵坐标，压缩应力σ，确定横坐标，压缩应变ε值，并根据缓冲垫初始厚度b0，确定缓冲垫的压缩量δb，见公式(3)：δb＝b0×
ε
……………
(3)取0.5δb作为缓冲垫与电芯、缓冲垫与端板之间的接触过盈量。6.如权利要求5所述的一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于，步骤s5中，采用刚性面模拟组装台面，约束刚性面参考点的六个方向自由度，电芯底面与刚性面设置有限滑移接触，选取模组长度方向中间两个节点约束长度方向自由度，选取两侧
端板宽度方向中间两个节点约束宽度方向自由度。7.如权利要求6所述的一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于步骤s5中，对端板与缓冲垫，电芯与缓冲垫的接触对设置过盈载荷，过盈载荷由s4步骤确定。8.如权利要求5所述的一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于，步骤s6中，静力学求解为几何非线性，静力学输出包括应力、应变、等效塑性应变、变形和接触压力。9.如权利要求5所述的一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，其特征在于，步骤s7中，若两个箍带的拉力与设计值偏差<3％，继续步骤s8；若任一箍带的拉力与设计值偏差>3％，则调整0.5δb，或调整缓冲垫材料属性，并重复步骤s5～s7，直至符合要求。

技术总结
本发明公开了一种箍带式动力电池模组装配强度性能预测方法，属于模拟测试技术领域，本发明充分利用有限元分析计算周期短以及预测准确等优点，能够在设计完成后及时校核箍带式动力电池模组装配工况的应力、变形等，并进行针对性优化设计，从而减少试验验证轮次，减少开发周期，从有限元建模、装配、计算、评价等全维度标准化有限元作业流程，其大大降低了工程师主观性判断带来的计算结果离散度较大问题，统一判别标准，提升了仿真效率，通过对有限元网格的建立、箍带预紧载荷的施加模拟，电芯间缓冲垫的压缩性能模拟等流程，有效解决有限元结果精度和准确度问题。元结果精度和准确度问题。元结果精度和准确度问题。


技术研发人员：张醒国 蔡存朋 武斌 沈宇航
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/4