CN111027242B - 一种电池包模组等效仿真模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池包模组等效仿真模型建立方法，包括如下步骤：采用有限元方法，利用壳单元或三维实体单元，建立完整模组详细模型的网格模型；采用有限元方法，将完整模组详细模型的包络体替换为铝端板和三维实体单元；将材料定义为异性材料，定义xyz三个方向的弹性模量、剪切模量；根据模组重量和体积，计算虚构模型的材料密度，泊松比按照经验选择0.1；进行模态计算，根据不同方向的刚度情况修改虚构材料属性初始值至合理值；对虚构材料属性参数逐步修正优化，使之与详细模型一致。本发明真实反映详细模型的刚度性能，保证计算精度的同时又能够大幅降低网格数量，缩短计算时间，减少试验次数，降低研发成本，仿真操作更加便捷高效。

Description

一种电池包模组等效仿真模型建立方法

技术领域

本发明属于电池包仿真技术领域，特别涉及一种电池包模组等效仿真模型建立方法。

背景技术

电池包仿真方法是利用电池包仿真模型代理真实物理对象在计算机或由仿真设备组成的环境中进行的实验过程方法。随着仿真技术不断发展和进步，汽车行业尤其是新能源汽车越来越多的采用仿真方法代替真实实验过程，以达到减少试验次数，降低试验成本的目的。

电池包是新能源汽车中最重要的结构组件，其安全性直接关系到新能源汽车的整车安全。而模组作为电池包中电芯的载体，是电池电量的主要来源。由于电芯的特殊结构，有限元仿真中很难将电芯结构完整模型建立出来，故一般采用三维实体网格赋予虚拟属性代替内部的预浸布、电解液，模组其他组件采用完整模型。在模组结构计算中，单个模组的单元数量在几十万个，计算资源足够满足项目要求，但是在整包中一般由若干个模组，模组网格数量高达几百万，一次动力学计算需要数周时间，无法满足项目要求。

由于模组本身是一系列零部件通过焊接或胶粘组合而成的，各个方向的刚度由于内部结构的不同，无法用同一种材料反映。所以需要针对不同工况对模组的影响选择不同虚拟材料属性，生成一组等效模型使用。

该方法有如下缺点：

一、其效率低，使用十分不方便，每次计算需要选择不同的属性值；

二、需要采用若干次真实物理试验或仿真试验验证其属性，增加了时间和成本。

为了解决计算精度和项目周期的矛盾，采用模组等效模型替代进行仿真分析，该模型虚构了一种材料反映模组的刚度情况，建立模组包络体的三维实体网格。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电池包模组等效仿真模型建立方法，使用该电池包模组等效仿真模型建立方法后，真实反映详细模型的刚度性能，保证计算精度的同时又能够大幅降低网格数量，缩短了计算时间和开发周期，减少了试验次数，降低了研发成本，仿真操作更加便捷高效，提高了使用效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种电池包模组等效仿真模型建立方法，所述电池包模组等效仿真模型建立方法包括如下步骤：

Step1、采用有限元方法，利用壳单元或三维实体单元，建立完整模组详细模型的网格模型，使用有限元方法或成熟有限元软件按照真实材料的材料属性进行约束状态下的模态分析计算，根据电池包振动工况中遇到的激励频率范围，确定输出模态阶数模态和振型，以前两阶为例，输出模态表和振型图；

Step2、观察有限元仿真计算结果，根据整包模态和各类随机振动或路谱的激振频率范围，确认输出全部在激励频率范围内的模态结果和振型结果；

Step3、采用有限元方法，建立完整模组详细模型的包络体，并将细小特征区域替换为虚构材料的三维实体单元，保留大的结果特征建立三维实体单元，选择合适的网格尺寸将网格数量降低为原详细模型的十分之一左右；

Step4、观察有限元仿真结果，电池包的模态和振型在前若干阶是否一致，判断是否存在横向及纵向弯曲振型与详细模型中的振型不一致，同时，确认弯扭刚度是否和详细模型的弯扭刚度一致，确认选择的虚构材料属性初始值在合理的范围内，如果振型与详细模型不一致，则根据不同方向的刚度情况修改初始值至合理范围内；

Step5、将DOE方法、响应面法和优化技术相结合进行参数的优化设计，采用符合详细模型的最优参数寻优进行参数优化，参数优化方法选择响应面法、最速下降法、序列二次规划法、退火法或遗传算法，利用不同优化技术逐步修正虚构材料属性参数，使虚构模型的各项性能与详细模型保持一致，保证其真实反映详细模型的刚度性能；

Step6、将虚构材料属性赋予模组等效模型，进行一次验证，若有真实物理模型可以试验验证校核，存储并供整包仿真分析使用。

本发明为了解决其技术问题，所采用的进一步技术方案是：

进一步地说，在Step1中，建立完整模组详细模型的网格模型，所述网格模型为电池包端板网格模型、电池包隔板网格模型、电芯盒网格模型和结构胶模型中的至少一种网格模型。

进一步地说，在Step1中，所述材料属性为弹性模量、泊松比和密度中的至少一种材料属性。

进一步地说，在Step1中，所述网格模型按照常见方式进行焊接和胶粘。

进一步地说，在Step3中，将包络体内的虚构材料定义为在不同方向上呈现不同刚度特性的异性材料，根据详细模型的振型结果，判断在xyz平动和xyz转动的自由度方向上详细模型的上下方向的刚度强弱、左右方向的刚度强弱，若一阶模态是上下振动，二阶模态是左右振动，可初步判断上下方向的刚度特性较低，左右方向的刚度特性较高，按照该原则，初步定义材料属性，xyz三个方向的弹性模量、xyz三个方向的剪切模量。

进一步地说，根据完整模组的重量和体积，计算虚构模型的材料密度参数。

进一步地说，所述泊松比在详细模型的上下方向和左右方向上按照工程经验均选择设定值为0.1。

进一步地说，在Step5中，所述参数优化方法步骤如下：

Step5.1、将xyz三个方向的弹性模量、xyz三个方向的剪切模量，共6个参数定义为优化变量，设定相应初始值，优化分析中选择参数上下限为±50％，使用如下公式a，确定优化变量的上下限范围，

Var_i*(1-50％)≤Var_i≤Var_i*(1+50％)a

在上述公式a中，

i的取值范围为{1,2,3,4,5,6}；

Var_i为优化变量；

Var_1为详细模型在x方向上的弹性模量；

Var_2为详细模型在y方向的弹性模量；

Var_3为详细模型在z方向上的弹性模量；

Var_4为详细模型在xy方向上的剪切模量；

Var_5为详细模型在yz方向上的剪切模量；

Var_6为详细模型在xz方向上的剪切模量；

Step5.2、将模态分析结果的一阶模态和二阶模态输出，并设定其与详细模型一阶模态和二阶模态的差值的绝对值之和作为优化目标，优化目标函数公式如下公式b，

Response＝abs(vm1-sm1)+abs(vm2-sm2)，

在上述公式b中，

vm1为虚构模型的一阶模态；

sm1为虚构模型的二阶模态；

vm2为详细模型的一阶模态；

sm2为详细模型的二阶模态；

Step5.3、采用序列规划法或遗传算法进行优化分析，得到响应最小的情况下虚构材料的参数情况；

Step5.4、将虚构材料的参数保存并赋予模组虚构模型，电池包整包分析中直接调用所述参数。

本发明的有益效果是：

一、本发明的电池包模组等效仿真模型通过一个模型可以在电池包整包分析的不同工况中使用，具有广泛性，且使用成熟的算法和计算机仿真平台能够实现一次仿真试验计算完成后生成的模型参数能够被直接调用，缩短了计算时间，减少了试验次数，提高了使用效率；

二、本发明的电池包模组等效仿真模型在每次计算时避免了选择不同的属性值，不需要采用若干次真实物理试验或仿真试验来验证其属性，缩短了开发周期，降低了研发成本，仿真操作更加便捷高效；

三、本发明的电池包模组等效仿真模型利用不同优化技术逐步修正虚构材料属性参数，使虚构模型的各向性能与详细模型一致，保证其真实反映详细模型的刚度性能，保证计算精度的同时又能够大幅降低网格数量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明所述的一种电池包模组等效仿真模型建立方法的流程示意图；

图2是本发明所述的电池包模组的初始模型模态表和振型图；

图3是本发明所述的电池包模组的等效模型网格模型图；

图4是本发明所述的电池包模组修正前的等效模型模态表和振型图；

图5是本发明所述的电池包模组修正后的等效模型模态表和振型图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不背离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。

实施例：一种电池包模组等效仿真模型建立方法，如图1-图5所示，所述电池包模组等效仿真模型建立方法包括如下步骤：

第一步、采用有限元方法，利用壳单元或三维实体单元，建立完整模组详细模型的网格模型，使用有限元方法或成熟有限元软件按照真实材料的材料属性进行约束状态下的模态分析计算，根据电池包振动工况中遇到的激励频率范围，确定输出模态阶数模态和振型，以前两阶为例，输出模态表和振型图；

第二步、观察有限元仿真计算结果，根据整包模态和各类随机振动或路谱的激振频率范围，确认输出全部在激励频率范围内的模态结果和振型结果；

第三步、采用有限元方法，建立完整模组详细模型的包络体，并将细小特征区域替换为虚构材料的三维实体单元，保留大的结果特征建立三维实体单元，选择合适的网格尺寸将网格数量降低为原详细模型的十分之一左右；

第四步、观察有限元仿真结果，电池包的模态和振型在前若干阶是否一致，判断是否存在横向及纵向弯曲振型与详细模型中的振型不一致，同时，确认弯扭刚度是否和详细模型的弯扭刚度一致，确认选择的虚构材料属性初始值在合理的范围内，如果振型与详细模型不一致，则根据不同方向的刚度情况修改初始值至合理范围内；

第五步、将DOE方法、响应面法和优化技术相结合进行参数的优化设计，采用符合详细模型的最优参数寻优进行参数优化，参数优化方法选择响应面法、最速下降法、序列二次规划法、退火法或遗传算法，利用不同优化技术逐步修正虚构材料属性参数，使虚构模型的各项性能与详细模型保持一致，保证其真实反映详细模型的刚度性能；

第六步、将虚构材料属性赋予模组等效模型，进行一次验证，若有真实物理模型可以试验验证校核，存储并供整包仿真分析使用。

在第一步中，建立完整模组详细模型的网格模型，所述网格模型为电池包端板网格模型、电池包隔板网格模型、电芯盒网格模型和结构胶模型中的至少一种网格模型。

在第一步中，所述材料属性为弹性模量、泊松比和密度中的至少一种材料属性。

在第一步中，所述网格模型按照常见方式进行焊接和胶粘。

在第三步中，将包络体内的虚构材料定义为在不同方向上呈现不同刚度特性的异性材料，根据详细模型的振型结果，判断在xyz平动和xyz转动的自由度方向上详细模型的上下方向的刚度强弱、左右方向的刚度强弱，若一阶模态是上下振动，二阶模态是左右振动，可初步判断上下方向的刚度特性较低，左右方向的刚度特性较高，按照该原则，初步定义材料属性，xyz三个方向的弹性模量、xyz三个方向的剪切模量。

根据完整模组的重量和体积，计算虚构模型的材料密度参数。

所述泊松比在详细模型的上下方向和左右方向上按照工程经验均选择设定值为0.1。

在第五步中，所述参数优化方法步骤如下：

首先，将xyz三个方向的弹性模量、xyz三个方向的剪切模量，共6个参数定义为优化变量，设定相应初始值，优化分析中选择参数上下限为±50％，使用如下公式a，确定优化变量的上下限范围，

Var_i*(1-50％)≤Var_i≤Var_i*(1+50％)a

在上述公式a中，

i的取值范围为{1,2,3,4,5,6}；

Var_i为优化变量；

Var_1为详细模型在x方向上的弹性模量；

Var_2为详细模型在y方向的弹性模量；

Var_3为详细模型在z方向上的弹性模量；

Var_4为详细模型在xy方向上的剪切模量；

Var_5为详细模型在yz方向上的剪切模量；

Var_6为详细模型在xz方向上的剪切模量；

然后，将模态分析结果的一阶模态和二阶模态输出，并设定其与详细模型一阶模态和二阶模态的差值的绝对值之和作为优化目标，优化目标函数公式如下公式b，

Response＝abs(vm1-sm1)+abs(vm2-sm2)，

在上述公式b中，

vm1为虚构模型的一阶模态；

sm1为虚构模型的二阶模态；

vm2为详细模型的一阶模态；

sm2为详细模型的二阶模态；

接着，采用序列规划法或遗传算法进行优化分析，得到响应最小的情况下虚构材料的参数情况；

最后，将虚构材料的参数保存并赋予模组虚构模型，电池包整包分析中直接调用所述参数。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种电池包模组等效仿真模型建立方法，其特征在于：

所述电池包模组等效仿真模型建立方法包括如下步骤：

Step1、采用有限元方法，利用壳单元或三维实体单元，建立完整模组详细模型的网格模型，使用有限元方法或成熟有限元软件按照真实材料的材料属性进行约束状态下的模态分析计算，根据电池包振动工况中遇到的激励频率范围，确定输出模态阶数模态和振型，以前两阶为例，输出模态表和振型图；

Step2、观察有限元仿真计算结果，根据整包模态和各类随机振动或路谱的激振频率范围，确认输出全部在激励频率范围内的模态结果和振型结果；

Step3、采用有限元方法，建立完整模组详细模型的包络体，并将细小特征区域替换为虚构材料的三维实体单元，保留大的结果特征建立三维实体单元，选择合适的网格尺寸将网格数量降低为原详细模型的十分之一左右；

Step4、观察有限元仿真结果，电池包的模态和振型在前若干阶是否一致，判断是否存在横向及纵向弯曲振型与详细模型中的振型不一致，同时，确认弯扭刚度是否和详细模型的弯扭刚度一致，确认选择的虚构材料属性初始值在合理的范围内，如果振型与详细模型不一致，则根据不同方向的刚度情况修改初始值至合理范围内；

Step5、将DOE方法、响应面法和优化技术相结合进行参数的优化设计，采用符合详细模型的最优参数寻优进行参数优化，参数优化方法选择响应面法、最速下降法、序列二次规划法、退火法或遗传算法，利用不同优化技术逐步修正虚构材料属性参数，使虚构模型的各项性能与详细模型保持一致，保证其真实反映详细模型的刚度性能；

Step6、将虚构材料属性赋予模组等效模型，进行一次验证，若有真实物理模型可以试验验证校核，存储并供整包仿真分析使用。

2.根据权利要求1所述的一种电池包模组等效仿真模型建立方法，其特征在于：在Step1中，建立完整模组详细模型的网格模型，所述网格模型为电池包端板网格模型、电池包隔板网格模型、电芯盒网格模型和结构胶模型中的至少一种网格模型。

3.根据权利要求1所述的一种电池包模组等效仿真模型建立方法，其特征在于：在Step1中，所述材料属性为弹性模量、泊松比和密度中的至少一种材料属性。

4.根据权利要求1所述的一种电池包模组等效仿真模型建立方法，其特征在于：在Step1中，所述网格模型按照常见方式进行焊接和胶粘。

5.根据权利要求1所述的一种电池包模组等效仿真模型建立方法，其特征在于：在Step3中，将包络体内的虚构材料定义为在不同方向上呈现不同刚度特性的异性材料，根据详细模型的振型结果，判断在xyz平动和xyz转动的自由度方向上详细模型的上下方向的刚度强弱、左右方向的刚度强弱，若一阶模态是上下振动，二阶模态是左右振动，可初步判断上下方向的刚度特性较低，左右方向的刚度特性较高，按照该原则，初步定义材料属性，xyz三个方向的弹性模量、xyz三个方向的剪切模量。

6.根据权利要求1所述的一种电池包模组等效仿真模型建立方法，其特征在于：根据完整模组的重量和体积，计算虚构模型的材料密度参数。

7.根据权利要求3所述的一种电池包模组等效仿真模型建立方法，其特征在于：所述泊松比在详细模型的上下方向和左右方向上按照工程经验均选择设定值为0.1。

8.根据权利要求1所述的一种电池包模组等效仿真模型建立方法，其特征在于：在Step5中，所述参数优化方法步骤如下：

Step5.1、将xyz三个方向的弹性模量、xyz三个方向的剪切模量，共6个参数定义为优化变量，设定相应初始值，优化分析中选择参数上下限为±50％，使用如下公式a，确定优化变量的上下限范围，

Var_i*(1-50％)≤Var_i≤Var_i*(1+50％)a

在上述公式a中，

i的取值范围为{1,2,3,4,5,6}；

Var_i为优化变量；

Var_1为详细模型在x方向上的弹性模量；

Var_2为详细模型在y方向的弹性模量；

Var_3为详细模型在z方向上的弹性模量；

Var_4为详细模型在xy方向上的剪切模量；

Var_5为详细模型在yz方向上的剪切模量；

Var_6为详细模型在xz方向上的剪切模量；

Step5.2、将模态分析结果的一阶模态和二阶模态输出，并设定其与详细模型一阶模态和二阶模态的差值的绝对值之和作为优化目标，优化目标函数公式如下公式b，

Response＝abs(vm1-sm1)+abs(vm2-sm2)，

在上述公式b中，

vm1为虚构模型的一阶模态；

sm1为虚构模型的二阶模态；

vm2为详细模型的一阶模态；

sm2为详细模型的二阶模态；

Step5.3、采用序列规划法或遗传算法进行优化分析，得到响应最小的情况下虚构材料的参数情况；

Step5.4、将虚构材料的参数保存并赋予模组虚构模型，电池包整包分析中直接调用所述参数。