机械载荷模拟软件

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。

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。

责任编辑：彭菁