CN112035972A - 轻量化电池机箱外壳设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻量化电池机箱外壳设计方法,包括如下步骤:建立参数化的电池机箱外壳模型数据库,电池机箱外壳模型的结构包括挤出件金属壳构成的轻量化单元体,并对不同材料、形状、尺寸及组合方式下的轻量化单元体进行模态性能分析、强度性能分析及电芯热膨胀性能分析,建立参数化结构与各性能的对应关系;模拟真实工作情况,对电池机箱外壳模型进行有限元分析,得到有限元性能分析结果;调整材料、形状、尺寸及组合方式,得到优化后的模态、静态位移、质量、应力和柔度;采用电池机箱外壳制造方法,制得轻量化电池机箱外壳。本发明流程清晰,操作简单,可提高轻量化效率,轻量化效果好,兼顾各项性能,且无需重复性搭建仿真模型和制样。
Description
技术领域
本发明涉及电池制造技术领域,尤其涉及一种轻量化电池机箱外壳设计方法。
背景技术
随着国家对新能源电池技术的支持及其发展,企业对电池包的性能及安全要求越来越高。轻量化技术作为一项减重降本技术,可降低电池包整体重量,提高续航能力,降低企业生产制造成本。
现有的电池机箱外壳,多采用铝挤成型机箱外壳,一般是单纯依靠结构部门凭借工程师经验直接设计,开发周期较长,而且为了保证机箱外壳的机械性能要求并达到最佳的轻量化效果,往往需来回反复制样,造成成本及周期不可控的问题。故而,流程繁琐,效率较低,易影响项目周期;同时来回修改,减重集中点过于单一,一般仅适用于单一工况,多工况时无法同时兼顾,反复制样成本过高,最终达到的轻量化效果往往不是最佳的,轻量化投入成本高而最终效益成果不佳。
发明内容
本发明提出一种轻量化电池机箱外壳设计方法以解决上述技术问题。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种轻量化电池机箱外壳设计方法,包括如下步骤:
步骤101:建立参数化的电池机箱外壳模型数据库,电池机箱外壳模型的结构包括挤出件金属壳构成的轻量化单元体,并对不同材料、形状、尺寸及组合方式下的轻量化单元体进行模态性能分析、强度性能分析及电芯热膨胀性能分析,建立参数化结构与各性能的对应关系;
步骤102:模拟电池机箱外壳的真实工作情况,对电池机箱外壳模型进行有限元分析,得到有限元性能分析结果;
步骤103:根据所述有限元性能分析结果,针对电池机箱外壳不同区域对轻量化模态性能、强度性能及电芯热膨胀性能的差异要求,调整参数化单元体结构的材料、形状、尺寸及组合方式,得到优化后的模态、静态位移、质量、应力和柔度;
步骤104:根据所述优化后的模态、静态位移、质量、应力和柔度所对应的材料、形状、尺寸及组合方式,采用电池机箱外壳制造方法,制得轻量化电池机箱外壳。
作为优选,所述步骤101中的参数化的电池机箱外壳模型包括通过三维建模软件正向建模和/或逆向工程得到的电池机箱外壳模型结构。
作为优选,所述步骤101中,所述尺寸包括长度、宽度和厚度。
作为优选,所述步骤101中,对不同材料、形状、尺寸及组合方式下的轻量化单元体进行模态性能分析、强度性能分析及电芯热膨胀性能分析时,将轻量化单元体进行对称式分段,每一段材料、形状、尺寸分别进行分析,同一段挤出方向上厚度一致。
作为优选,各分段的长度均大于或等于5mm。
作为优选,所述轻量化单元体分为N段,则各个分段的厚度Hi满足1mm≤Hi≤10mm,其中i、N均为正整数且1≤i≤N。
作为优选,所述步骤101中的挤出件金属壳为长方体的挤出件铝壳。
作为优选,所述步骤104中的电池机箱外壳制造方法,是指钣金折弯冲压、开模制造或铝挤出。
与现有技术相比较,本发明流程清晰,操作简单,可提高轻量化效率,轻量化效果好,兼顾各项性能,且无需重复性搭建仿真模型和制样,在满足轻量化要求的同时可提高计算时间。
附图说明
图1为本发明轻量化电池机箱外壳设计方法的一种流程图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
如图1所示,一种轻量化电池机箱外壳设计方法,包括如下步骤:
步骤101:建立参数化的电池机箱外壳模型数据库,电池机箱外壳模型的结构包括挤出件金属壳构成的轻量化单元体,并对不同材料、形状、尺寸及组合方式下的轻量化单元体进行模态性能分析、强度性能分析及电芯热膨胀性能分析,建立参数化结构与各性能的对应关系。
这里,参数化的电池机箱外壳模型可以包括通过三维建模软件正向建模和/或逆向工程得到的电池机箱外壳模型结构;挤出件金属壳可以为长方体的挤出件铝壳。
轻量化单元体的尺寸可以包括长度、宽度和厚度。当对不同材料、形状、尺寸及组合方式下的轻量化单元体进行模态性能分析、强度性能分析及电芯热膨胀性能分析时,可以将轻量化单元体进行对称式分段,每一段材料、形状、尺寸分别进行分析,同一段挤出方向上厚度一致。
若将所述轻量化单元体分为N段,则各分段的长度均大于或等于5mm,各个分段的厚度Hi满足1mm≤Hi≤10mm,其中i、N均为正整数且1≤i≤N。厚度Hi的最小值可依据铝型材加工工艺最薄厚度1mm设置,最大值可根据项目要求尺寸确定(例如10mm)。若总长度为260mm,根据工艺要求采用最小5mm长度为一段,同时考虑对称性,需一共分26段。
本实例中采用模态性能、强度性能及电芯热膨胀性能三种性能分析:
模态性能为结构固有的特性,包括振型及频率。模态频率越高,则整体刚度越大,稳定性强,不易被外界激烈共振。通过施加电池机箱实际安装的约束,求解频率段或者模态阶数,采用兰索士法进行模态求解获得参数模态频率。
强度性能主要是抗跌落、抗挤压、抗冲击、抗振动强度,均为可靠性性能。此处,可简化为静态加载分析,考察电池机箱的抗变形能力,通过施加电池外箱实际安装的约束,加载恒力或者加速度等,求解获得静态位移值及外壳应力分布与最大应力值。
热膨胀性能为当电池发生鼓包或者爆炸时电池机箱外壳的刚度值。通过施加电池外箱实际安装的约束,加载均布压力,求解位移值及外壳应力分布与最大应力值。此处,可简化为求解电池机箱外壳的刚度值即柔度的相反数,以此柔度值作为初始柔度值。
进行三种性能分析时,选取的主要参数可以包括如下:模态,静态位移,质量,应力,柔度。
其中,质量,按照参数要求,最低可以减重至0.4kg或最大可设计质量的40%;柔度最小,即刚度最大。
步骤102:模拟电池机箱外壳的真实工作情况,对电池机箱外壳模型进行有限元分析,得到有限元性能分析结果。
这里,根据仿真分析要求,建立相应的载荷步及约束边界及载荷。
载荷步分为通用载荷步及线性摄动载荷,根据仿真工况类型进行选择:
如静载或者准静态分析使用通用载荷步中静态分析步;
冲击、跌落分析使用显示动态分析步;
模态及振动分析使用线性摄动载荷步中的频率分析步及模态法谐响应分析步,随机振动使用随机响应分析步。
根据实际试验要求,约束相应位置的自由度,包括:X向平动自由度, Y向平动自由度,Z向平动自由度,绕X向转动自由度,绕Y向转动自由度,绕Z向转动自由度等。
载荷时可根据实际情况施加相应的力、位移、转角、压力、加速度、速度等。
步骤103:根据所述有限元性能分析结果,针对电池机箱外壳不同区域对轻量化模态性能、强度性能及电芯热膨胀性能的差异要求,调整参数化单元体结构的材料、形状、尺寸及组合方式,得到优化后的模态、静态位移、质量、应力和柔度。
步骤104:根据所述优化后的模态、静态位移、质量、应力和柔度所对应的材料、形状、尺寸及组合方式,采用电池机箱外壳制造方法,制得轻量化电池机箱外壳。
所述步骤104中的电池机箱外壳制造方法,是指钣金折弯冲压、开模制造或铝挤出等。这里,一般可采用铝挤出,即高温软化的铝锭在铝压机的强力挤压下流过铝挤型模具,成型成符合要求的电池机箱外壳。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本发明的真正范围和精神由本申请的权利要求指出。
应当理解的是,本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种轻量化电池机箱外壳设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤101:建立参数化的电池机箱外壳模型数据库,电池机箱外壳模型的结构包括挤出件金属壳构成的轻量化单元体,并对不同材料、形状、尺寸及组合方式下的轻量化单元体进行模态性能分析、强度性能分析及电芯热膨胀性能分析,建立参数化结构与各性能的对应关系;
步骤102:模拟电池机箱外壳的真实工作情况,对电池机箱外壳模型进行有限元分析,得到有限元性能分析结果;
步骤103:根据所述有限元性能分析结果,针对电池机箱外壳不同区域对轻量化模态性能、强度性能及电芯热膨胀性能的差异要求,调整参数化单元体结构的材料、形状、尺寸及组合方式,得到优化后的模态、静态位移、质量、应力和柔度;
步骤104:根据所述优化后的模态、静态位移、质量、应力和柔度所对应的材料、形状、尺寸及组合方式,采用电池机箱外壳制造方法,制得轻量化电池机箱外壳。
2.根据权利要求1所述的轻量化电池机箱外壳设计方法,其特征在于,所述步骤101中的参数化的电池机箱外壳模型包括通过三维建模软件正向建模和/或逆向工程得到的电池机箱外壳模型结构。
3.根据权利要求1所述的轻量化电池机箱外壳设计方法,其特征在于,所述步骤101中,所述尺寸包括长度、宽度和厚度。
4.根据权利要求3所述的轻量化电池机箱外壳设计方法,其特征在于,所述步骤101中,对不同材料、形状、尺寸及组合方式下的轻量化单元体进行模态性能分析、强度性能分析及电芯热膨胀性能分析时,将轻量化单元体进行对称式分段,每一段材料、形状、尺寸分别进行分析,同一段挤出方向上厚度一致。
5.根据权利要求4所述的轻量化电池机箱外壳设计方法,其特征在于,各分段的长度均大于或等于5mm。
6.根据权利要求4所述的轻量化电池机箱外壳设计方法,其特征在于,所述轻量化单元体分为N段,则各个分段的厚度Hi满足1mm≤Hi≤10mm,其中i、N均为正整数且1≤i≤N。
7.根据权利要求3至6任意一项所述的轻量化电池机箱外壳设计方法,其特征在于,所述步骤101中的挤出件金属壳为长方体的挤出件铝壳。
8.根据权利要求1至6任意一项所述的轻量化电池机箱外壳设计方法,其特征在于,所述步骤104中的电池机箱外壳制造方法,是指钣金折弯冲压、开模制造或铝挤出。
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