万长东 陈昱丞 裴显卜 李洪伟

摘要：电动汽车是未来新能源汽车发展的重要方向。动力电池是非常重要的电动汽车核心部件，动力电池承受着一定的约束和载荷，要满足足够的强度和振动特性。动力电池采用有限元分析方法进行模态与静力计算，其网格大小设置为50 mm、15 mm、10 mm、5 mm ，结果显示网格尺寸对计算结果有着重要影响。因此，通过对动力电池进行自由模态计算结果来控制全局网格尺寸，通过静强度计算结果来控制局部网格尺寸，结合模态结果与静力计算结果选择全局网格尺寸10 mm ，局部细化网格尺寸为1 mm ，这样的网格划分得到的结果与5 mm网格尺寸计算结果相差不大，同时该电池包结构满足强度及振动特性。

关键词：电动汽车;电池包;网格尺寸;有限元

中图分类号：U469.72文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0082-03

Study on Grid Size Control in Power Battery by Finite Element Calculation

Wan Changdong，Chen Yucheng ，Pei Xianbu，Li Hongwei

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Suzhou Vocational University， Suzhou， Jiangsu 215104，China）

Abstract： Electric vehicles are an important direction for the development of new energy vehicles in the future. Power battery is a very important core component of electric vehicle. Power battery bears certain constraints and loads and must meet sufficient strength and vibration characteristics. The finite element analysis method was used for modal and static calculation of power battery， and the grid size was set as 50 mm， 15 mm， 10 mm and 5 mm. The results show that the grid size has an important effect on the calculation results. Through the study of the free modal calculation results of power battery to control the global grid size， through static strength calculation result to control local grid size， combined with static calculation results and the modal results choosing global grid size for 10 mm， local refinement grid size for 1 mm， the meshing results， with 5 mm mesh size calculation results were similar， at the same time， the battery pack structure can meet the strength and vibration characteristics.

Key words： electric vehicle; battery pack; mesh size; finite element

0 引言

近幾年，我国电动汽车市场经历了快速增长，2019年上半年国内电动汽车保有量达到了344万辆，动力电池是整辆车的重要核心部件，动力电池的结构安全性非常重要，通过 CAE分析电池包结构强度来优化结构是一种重要的研究方法，有限元分析中网格划分对计算结果的精度和时间成本产生重要影响，因此对于动力电池有限元模型而言，其合理的网格划分是非常重要的。

对于动力电池的有限元分析，目前已经有很多人开展了研究。王瑞等[1]为了提高有限元数值计算的求解精度及建模效率，分析了移动荷载作用下地基系统的动力响应特点，确定了计算域选取及网格划分的基本规则;欧阳威等[2]为了满足电动汽车电池包箱体高强度、轻量化的设计要求，提出了一种基于数值优化与有限元仿真相结合的动力电池包箱体轻量化设计方法;谢晖等[3]针对某款纯电动汽车的高强钢电池包进行了结构改进设计和轻质合金材料替换，然后采用有限元仿真分析方法检验了其静态性能;戴江梁等[4]基于随机振动理论与频域疲劳分析方法，利用有限元软件构建动力电池包随机振动疲劳失效分析模型并计算结构的疲劳寿命;秦千富等[5]通过对某车型动力电池包箱体在振动试验中出现的疲劳断裂问题进行分析论证，建立了一种新的基于 PSD 试验谱下的振动疲劳仿真分析方法;王品健等[6]运用 CAE仿真方法对电池包中的不同结构件进行优化;岑波等[7]基于正确的有限元仿真分析可以有效地考察电池包箱体和零部件是否满足机械性能要求;刘立邦等[8]为精确预测电动汽车动力电池包的动态特性，建立某款电动汽车动力电池包的有限元模型;曾维权等[9]针对某车型动力电池底护板的设计，提出一种基于形貌优化设计的方法，得出一个使底护板模态值最大化的结构设计方案;桑林等[10]运用有限元分析的方法对动力电池箱进行了力学特性分析，建立了与实际结构相似的动力电池箱有限元模型;陶志军等[11]利用非线性有限元软件模拟车窗密封条亮条与本体的安装过程，不同的网格处理方法对结果有着显著影响。冯建平等[12]采用多种网格单元类型实现固定式起重机在多工况作业下具有更真实的运动仿真和关键结构强度校核。

1 建立合适的动力电池有限元模型

1.1 动力电池有限元模型前处理

1.1.1 几何模型

动力电池箱体由上箱体、下箱体、电池组组成，电池包几何模型如图1所示。首先进行几何清理，去除对计算结果影响不大的细小结构。理清部件的连接关系。动力电池一共重180 kg ，每个电池模组的重量以质量点形式加载到动力电池箱体上。对原始动力电池模型进行中面提取，同时要对破面、重复面、硬点等几何问题进行修理，对直径比较小的倒角、孔、圆角等进行去除。

1.1.2 材料属性

动力电池下箱体主要结构的材料 Q235钢，上盖主要采用 SMC材料，其力学参数如表1所示。

1.1.3 网格划分及网格质量

（1） 单元类型及网格尺寸

动力电池网格类型主要采用壳单元和体单元。上箱体与下箱体及附件均为钣金件，并且其厚度方向的尺寸相对于它的长度方向小，采用壳单元进行网格划分，而个别实体零件结构采用实体单元划分网格。壳单元注意采用四边形壳单元进行网格划分，为了满足高质量网格的过度需要，采用少量三角形单元，只要三角形网格的数量不超过网格总数量的5%，就不会影响到后续分析和计算的精度。上下箱体进行网格划分，因网格密度会影响刚度从而影响计算结果，因为动力电池结构强度主要靠下箱体承载，因此先将下箱体网格密度设为50mm，如能正常计算得到基本合理结果，如图2所示，把网格密度设为15 mm 、10 mm进行划分，不同网格尺寸单元节点数如表2所示，最后选择合适的网格作为进一步有限元分析网格尺寸。

（2） 单元连接的处理

模拟螺栓的连接不考虑失效问题，采用刚性单元模拟，螺栓穿过不只两层部件时，要将上下所有层的孔都选择上。焊点采用刚体单元模拟，两个焊接件实际上是节点对节点通过梁单元连接。如果两层焊和三层焊应该分两次打焊点。粘胶的模拟，底板和动力电池有一层粘胶，采用六面体实体单元来模拟，使用共节点或绑定连接的方式将两个连接进行连接。对于结构中孔的网格尽量采用六多边形来划分网格，而且孔外还应该有一层六边形网格。

（3） 单元质量

网格的质量影响计算结果精度和计算效率。网格质量存在问题就需要调整网格质量，可采用局部重画网格，局部网格加细，调整几何模型边界线等方法。本次动力电池网格质量的标准如表3所示。最终得到动力电池箱体不同网格尺寸的模型如图2所示。

1.2 动力电池静强度与模态计算

1.2.1 约束与载荷

（1） 工况1。3g加速度下的静强度计算。固定电池箱体的所有吊耳，给电池箱体加一个3g的加速度。在一些有限元软件中，加速度施加的方向与地球重力方向相反。

（2） 工况2。自由模态和约束模态提取前6阶模态结果。自由模态计算需要过滤掉刚体模态结果，约束模态采用约束吊耳6个自由度。

1.2.2 不同网格尺寸下的两工况计算结果

由于重力作用，动力电池具有较大重量，下箱体受压发生变形，最大应力主要在吊耳位置处，1 阶振型主要是弯曲振动。采用50 mm 、15 mm 、10 mm 、5 mm 不同单元尺寸的计算结果如表4所示，可以看到网格对计算结果影响较大，当单元网格尺寸为5mm 时，相对其他几个单元尺寸的计算结果精度最高，其中网格尺寸为10 mm时，与5 mm时计算结果相差不大，但求解时间却是10 mm网格尺寸的5倍。

因此选用10 mm网格作为模型基本尺寸的性价比显得比较高，因为吊耳位置应力最大，选择吊耳位置进行网格细化，细化为1 mm ，得到网格数量183239。同时注意各部件之间的接触关系，避免因接触关系不正确导致的结果异常。

1.3 优化后网格的静强度与模态计算结果

（1） 3g加速度下的静力分析结果选择前述2.2节中网格划分方法，得到节点数247699，单元数183239。对动力电池施加3g加速度，进行求解计算，最终得到位移发布如图3所示，下箱体 Z 方向局部最大变形量为0.86 mm ，上箱体最大变形0.95 mm ，满足设计规定的底部最大变形量小于3 mm的要求。应力分布如图4所示，从应力云图可知，最大应力为50.6 MPa，远低于下箱体材料的屈服极限235 MPa。

（2）模态计算结果

下箱体结构第 1 阶自由模态 64 Hz （为弯曲振型），整体箱体结构第 1 阶约束模态 36 Hz （为上箱盖局部振动）。自由模态与约束模态前 6 阶频率值如图 5所示，其中下箱体自由模态第 1 阶模态主要为弯曲振型，其体现了动力电池的承载形态。而整个箱体的约束模态前 6 阶模态主要是上箱盖的局部振动，主要原因是箱体相对刚度较低造成的。电动汽车的振动主要来自于路面，一般情况下希望 1 阶频率高于 30 Hz，动力电池的自由模态或约束模态下结果满足 1 阶频率值要求。如图 6 所示。

2 结束语

本文通过上述计算与分析，得到以下结论：有限元模型的网格尺寸对计算结果有较大影响;有限元模型网格尺寸对网格数量影响极大，即影响着求解时间;模态计算结果反应了模型整体刚度，网格大则刚度大，频率高;静力计算结果反映了局部结构刚度，局部应力集中位置可以加细网格尺寸;结合模态与静力计算，来进行网格控制，可以取得良好的计算结果。

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第一作者简介：万长东（1978-），男，辽宁铁岭人，副教授，高级工程师，研究领域为新能源汽车设计与开发。

（编辑：刁少华）