CN112036029A

CN112036029A - 电池组模组膨胀变形的仿真方法

Info

Publication number: CN112036029A
Application number: CN202010891732.XA
Authority: CN
Inventors: 郭永兴; 朱国才; 周金亮
Original assignee: Jiangxi Star Energy Co ltd
Current assignee: Jiangxi Star Energy Co ltd
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2020-12-04

Abstract

本发明涉及锂离子电池结构领域，公开了一种电池组模组膨胀变形的仿真方法，其包括：创建球形曲面，作为所述电池组电芯的膨胀面模型；根据电池组模组的装配关系，装配所述球形曲面、以及装配体各部件模型，设定与球形曲面接触的装配体各部件模型之间的接触关系，装配体各部件模型之间的接触关系、固定关系；网格划分球形曲面及装配体模型，设定挤压力沿X轴方向作用于网格球形曲面，计算网格球形曲面在挤压力作用下沿X轴的位移，计算装配体各部件模型应力的应力及形变，以仿真确定装配体的可靠性，X轴方向为垂直于电池组电芯的最大面的方向，本方案有利于提高仿真效率。

Description

电池组模组膨胀变形的仿真方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，公开了一种电池组模组膨胀变形的仿真方法。

背景技术

石化能源逐渐枯竭和温室效应的日益严重促使研究者们不断探索可持续和清洁能源。自1991年sony首次商业化锂离子电池后，锂离子电池已在3C类数码产品中得到极大应用。由于锂离子电池相对传统铅酸蓄电池在循环寿命、体积能量密度和质量能量密度都更具有优势，近20年来众多技术人员都在致力于锂离子电池作为动力电池的商业化。

随着新能源的快速发展，电池租模组为目前应用最广泛的动力电池，锂离子电池模组的装配结构影响着电池组模组的安全可靠性。现有技术的装配结构可靠性仿真分析主要采用热力学结构耦合的方法建立仿真模型即通过赋予电芯的热膨胀系数在产生一定竖直的温升的情况下，电芯模型发生膨胀而发生线性变形，进而电芯对模组的装配体结构产生力的作用，特别是模组端板的挤压力的作用。

本发明人在进行本发明的研究过程发现，现有技术存在如下缺点：、

（1）建模时的前处理工作耗时长；

（2）网格数量规模大；

（3）计算耗时长，不容易收敛。

发明内容

本发明实施例的目的之一在于提供一种电池组模组膨胀变形的仿真方法，有利于提高仿真效率。

第一方面，本发明实施例提供的一种电池组模组膨胀变形的仿真方法，包括：

根据电池组电芯的最大面的面积、膨胀凸度极限，确定球形曲面的投影面积、凸度，创建球形曲面，作为所述电池组电芯的膨胀面模型；

根据电池组模组的装配关系，装配所述球形曲面、以及装配体各部件模型，设定与球形曲面接触的装配体各部件模型之间的接触关系，所述装配体各部件模型之间的接触关系、固定关系；

网格划分所述球形曲面及装配体模型，禁止所述球形曲面在除X轴外其他方向的位移或旋转，仅允许所述球形曲面在所述X轴方向的位移，设定挤压力沿X轴方向作用于所述网格球形曲面，计算网格划分的各网格球形曲面在所述挤压力作用下的位移，计算装配体各部件模型的应力以及形变，以仿真确定装配体的可靠性，所述X轴方向为垂直于所述电池组电芯的最大面的方向。

可选地，所述电池组模组沿垂直于所述X轴的中面镜像对称，

在网格划分所述球形曲面及装配体各部件模型之前，还包括：

沿所述中面分割所述装配体，保留所述中面一侧的装配体模型作为仿真模型，

约束装配体模型位于所述中面位置在各方向的自由度，禁止位移及旋转；

网格划分所述球形曲面及装配体模型，禁止所述球形曲面在除X轴外其他方向的位移或旋转，仅允许所述球形曲面在所述X轴方向的位移，设定挤压力沿X轴方向作用于所述网格球形曲面，计算网格划分的各网格球形曲面在所述挤压力作用下的位移，计算装配体各部件模型的应力以及形变，具体是：

网格划分位于所述中面一侧的所述球形曲面、及位于该侧的装配体模型，

禁止位于所述中面一侧的所述球形曲面在除X轴外其他方向的位移或旋转，仅允许位于所述中面一侧的所述球形曲面在所述X轴方向的位移，

设定所述挤压力作用于所述中面一侧的所述网格球形曲面，计算位于所述中面一侧的各所述网格球形曲面沿所述X轴的位移，计算所述中面一侧的所述装配体模型的应力及形变。

可选地，网格划分所述球形曲面，包括：二维网格划分所述球形曲面。

可选地，装配体的部件模型包括：位于所述电池组最外侧的电芯的最大面外的端板模型；

网格划分所述装配体各部件模型，包括：

三维网格划分所述端板模型；

计算装配体各部件模型的应力以及形变，包括：

计算所述端板模型的应力以及形变。

可选地，装配体的部件模型还包括：沿所述X轴延伸禁锢在两相对的所述端板模型外的捆扎轧带模型；

网格划分所述装配体各部件模型，还包括：

二维网格划分所述捆扎轧带模型；

计算装配体各部件模型的应力以及形变，还包括：

计算所述捆扎轧带模型的应力以及形变。

可选地，装配体的部件模型还包括：螺杆模型，垂直于所述X轴，贯穿所述端板模型，用于将所述端板固定在固定钣金模型上，所述固定钣金模型用于仿真所述端板与外部固定件的装配固定；

网格划分所述装配体各部件模型，还包括：

三维网格划分所述螺杆模型；

计算装配体各部件模型的应力以及形变，还包括：

计算所述螺杆模型的应力以及形变。

可选地，装配体的部件模型还包括：所述固定钣金模型；

网格划分所述装配体各部件模型，还包括：

二维网格划分所述固定钣金模型；

计算装配体各部件模型的应力以及形变，还包括：

计算所述固定钣金模型的应力以及形变。

由上可见，相对于现有技术采用热力学结构耦合的仿真方法，本实施例根据电芯最大面的面积及膨胀凸度极限而设定球形曲面，通过设定的挤压力作用于球形曲面而计算位于球形曲面外的端板及装配体的其他部件的应力以及形变情况，而仿真计算锂离子电池组模组的装配结构可靠性，本实施例技术方案具有操作过程简便易行，仿真效率高的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例1提供的电池组模组的装配体结构模型示意图；

图2为本发明实施例2提供的电池组模组的装配体结构模型示意图。

附图标记：

1：球形曲面； 2：端板模型；3：捆扎扎带模型；

4：固定钣金模型；5：螺杆模型。

具体实施方式

下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本发明实施例提供了一种电池组模组膨胀变形的仿真方法，在仿真分析平台中建立电池组模组的仿真模型，对仿真模型进行仿真分析以确定该装配体的结构可靠性。

本实施例应用的仿真分析平台可以但不限于为Ansys Mechanical和Ansysworkbench，本实施例以Ansys workbench作为仿真分析平台为示意。

本实施例的电池组模组膨胀变形的仿真方法主要包括以下步骤：

步骤1：建立仿真模型。

在仿真分析平台中建立电池组模组的装配体的仿真模型，其中仿真模型包括装配体的各部件的仿真模型。

以下以常用的一种锂离子电池模组为示意，锂离子电池模组的主要装配部件包括但不限于固定在电池组的最外端的端板，每侧的端板与位于该外侧的电芯的最大面相对，将垂直于两端板的轴线记为X轴，为了描述方便，本实施例以电池组模组的两端板分别位于电池组的左右两端为示意。装配体部件还包括沿X轴方向延伸紧锢两端板的捆扎扎带，每捆扎扎带呈封闭状将左右两端板紧紧箍紧在一起，限制两端板由于锂离子电池组的各电芯的膨胀而沿X轴外移；装配体部件还包括：螺杆以及固定钣金，在每端板上分别设置有至少两螺杆，螺杆垂直于X轴的方向贯穿端板，将固定钣金和模组端板进行锁附固定。

根据电池组模组的装配体的各部件的结构，在仿真分析平台中建立装配体各部件的仿真模型。

比如在Ansys workbench仿真分析平台，建立装配体各部件的仿真3D模型，保存为stp格式。

需要说明的是，上述以一种具体的锂离子电池组模组的装配体结构为示意，并以该结构的装配体部件为示意，但本实施例的仿真方法并不仅适用于该装配体结构，建立的装配体的部件的仿真模型不仅限于上述部件。

锂离子电池组模组的膨胀主要由于电池组充放电过程中电芯的温度升高，电芯气胀而导致。本发明人在进行本发明研究过程中发现，电芯气胀时，电芯的面积最大面为主要膨胀面。本实施例中根据电芯的最大面的面积、电芯的最大面的膨胀凸度极限，建立一球形曲面1，球形曲面1的投影面积等于电芯的最大面的面积，球形曲面1的凸度等于电芯的最大面的膨胀凸度极限，本实施例以球形曲面1模拟位于电池组最外侧的电芯的膨胀面。

步骤2：在仿真分析平台内，将装配体的各部件模型、以及球形曲面1装配在一起，设定装配体的各部件模型之间的接触关系、固定关系，设定球形曲面1与其接触的部件模型的接触关系。

根据被仿真的电池组模组的实际装配关系，在仿真分析平台内，装配球形曲面1、以及装配体各部件模型，得到电池组模组的装配模型。

在仿真分析平台中，设定球形曲面1与和该球形曲面1接触的装配体部件模型（本实施例中为端板模型2）之间的接触关系，设定接触的摩擦系数。

根据实际的电池组模组的装配体的固定连接关系，在仿真分析平台中，设定装配体的各部件模型之间的接触关系以及固定约束关系，比如端板模型2与螺杆模型5的固定约束关系，固定钣金模型4与端板模型2、螺杆模型5的固定约束关系，捆扎扎带与端板之间的固定约束关系，约束固定钣金在预定的用于紧固外部固定体的固定位置的自由度，禁止在该处位移以及旋转，以仿真本装配体通过端板上的固定钣金装配到外部固定体的结构。

具体比如，在Ansys workbench仿真分析平台中，直接导入由CATIA V5的创建的装配体模型，将模组的端板模型2、捆扎扎带模型3、螺杆模型5和固定钣金模型4（已装配好）与球形曲面1按照实际的相互装配关系（含部件与部件之间的固定关系、接触关系），完成装配。在“Connections”连接关系模块中设置并定义装配体各部件模型之间的接触关系、固定约束关系。

将上述步骤装配好的装配体模型，转成stp格式并导出保存。

在仿真分析时，将导出的仿真模型导入创建的工作模组中，在分析系统环境“Ansys System”的静态结构分析模板“Static Strural“中拖入工程面板，即完成了工作模块的创建，以在工作模块中进行仿真运算求解。

在Ansys workbench仿真分析平台中，启动静态结构分析模块“StaticStructural”，设定装配体各部件的材料属性，对结构体进行结构强度分析求解设置。

设定材料属性的操作比如但不限为：启动静态结构分析模块“StaticStructural”的工程数据“Engineering Data”功能，进入材料属性参数设置界面，分别将各个部件的材料参数，如Ansys workbench仿真分析平台中设置的材料参数包括但不限于：密度参数“Density“、杨氏弹性模量“Yunng’s Modulus” 、泊松比参数“Poisson’s”和多线性各向同性硬化参数“Multilinear Isotropic Hardening”，及材料的屈服强度、抗拉强度及其他能准确表征该材料非线性特征的应力应变曲线。

在设定材料参数后，将各材料参数赋予装配体的各部件模型的材料属性。

特别地，本发明在对模组的端板和捆扎扎带等金属材料的特性参数进行设置时，还进一步考虑应力应变非线性影响，以提高仿真效果。

其中装配得到的球形曲面1及装配体结构示意图参见图1所示。

步骤3：网格划分球形曲面1及装配体的各部件模型。

在仿真平台中对各部件模型、以及球形曲面1进行网格划分，分别将各部件划分为复数个网格单元。

作为本实施例的示意，可以但不限于采用尺寸为3mm的网格单元进行网格划分，具体网格划分的方法以及操作可以但不限于参见现有技术。

在本实施例中，分别采用网格单元对球形曲面1、固定钣金进行2D网格划分；采用网格单元对固定螺杆、端板进行3D网络划分，等到各网络划分单元。

步骤4：设定挤压力，挤压力沿X轴方向作用于各网格球形曲面1，计算各部件模型的各网格单元在各网格球形曲面1作用下的应力及形变，以仿真确定装配体的可靠性。

设定一挤压力，约束挤压力除X轴方向外的自由度，挤压力的大小根据当前电池组的规格及应用场景推算计的极限值。比如但不限于在Ansys workbench仿真分析平台中，在“Static Structural”静态结构分析模块中定义挤压力F的方向为沿X方向，挤压力F的大小预设为30000N。

挤压力的方向沿X轴垂直于端板的方向作用在球形曲面1的被网格划分的各网格球形曲面1，

在本实施例中，约束球形曲面1被网格划分的各网格球形曲面1的自由度，仅释放各网格球形曲面1沿X轴方向的位移自由，而禁止各网格球形曲面1沿X轴方向的任意旋转，以及禁止网格球形曲面1沿除X轴方向外的其他方向的旋转及位移。

在仿真分析平台中，挤压力沿X轴方向作用于各网格球形曲面1，各网格球形曲面1在该挤压力作用下沿X轴位移，对其接触的端板模型2的各网格单元产生应力，端板模型2的各网络单元产生应力及形变进一步作用于与端板连接的固定钣金、固定螺杆等部件，计算含端板在内的装配体各部件模型的各网格单元的应力及形变，求解在当前挤压力作用下装配体各部件模型的应力变化，以根据该应力变化确定当前装配体的可靠性。

由上可见，相对于现有技术采用热力学结构耦合的仿真方法，本实施例根据电芯最大面的面积及膨胀凸度极限而设定球形曲面1，通过设定的挤压力作用于球形曲面1而计算位于球形曲面1外的端板及装配体的其他部件的应力及形变情况，而仿真计算锂离子电池组模组的装配结构可靠性，本实施例技术方案具有操作过程简便易行，仿真效率高的优点。

实施例2：

本实施例与实施例1所不同主要在于，本实施例提供了进一步简化电池组模组的仿真模型。

本发明人在进行本发明研究过程中发现，对于电池组模组沿X轴方向左右两端镜像对称，为了描述方便将位于对称的左右两部分之间的中部横截面记为中面，电池组模组沿中面镜像对称。该中面垂直于X轴。需要说明的时，该中面为在仿真分析平台中在电池组模组装配体内虚拟的一切割面，而非电池组模组中客观存在面。

本实施例仅以位于中面一侧的装配体及球形曲面1作为仿真模型。

本实施例的仿真方法主要包括以下步骤：

步骤1：建立仿真模型。

在仿真分析平台中，建立电池组模组的装配体的各部件的模型、以及用于仿真电池组模组的X轴最外侧的电芯最大面在膨胀极限时形状的球形曲面1。

本步骤与实施例1相同，详细见实施例1。

本步骤与实施例1相同，详见实施例1。

步骤2’：对装配体模型进行抽中面。

在Ansys workbench仿真分析平台中，利用静态结构分析模板“Static Strural”的功能导入模块“Geometry”导入步骤1中保存的stp文件，并打开功能导入模块“Geometry”，进入工作界面，启动生成“Generate”按钮，生成导入的模型，用工具“Tools”下的抽中面工具“Mid-Surface”将沿X轴方向的捆扎扎带抽成中面，保留中面一侧的装配体模型，作为后续步骤处理的仿真模型。

在本实施例中，在仿真分析系统中，约束各部件模型（本实施例中具体为捆扎扎带模型3）在中面的自由度，禁止在中面位置的任意方向的任意位移，禁止在中面位置的任意方向的任意旋转。

参见图2所示，在本实施例中，仿真模型包括：位于中面一侧的一球形曲面1、该侧的端板模型2，以及位于中面的该侧的其他装配体的部件模型。

由上可见，由于在本步骤中采用了抽中面处理，仅包括中面一侧的结构体模型作为仿真模型，本实施例的仿真模型仅为实施例1的仿真模型的一半，有利于减少仿真计算的计算量，大大提高仿真效率。

步骤3：网格划分球形曲面1及装配体的各部件模型。

本实施例与实施例1所不同之处在于，本实施例的网格划分对象为：步骤2’中抽中面获得的位于中面一侧的仿真模型，而非实施例1中完整的装配体模型，具体的网格划分方案同实施例1。

本实施例的步骤4与实施例1所不同之处主要在于，实施例1中仿真模型沿X方向的两端部分别有一球形球面，挤压力沿X方向的正向以及负向分别作用于两端的两球形曲面1对应的各网格球形曲面1。

而在本实施例中，仿真模型为：位于中面一侧的一球形曲面1以及该侧的装配体模型；本实施例的挤压力沿X方向的正向作用于该侧的球形曲面1的各网络球形曲面1，计算该侧的装配体模型的应力及形变情况，即可得仿真确定装配体的可靠性。

本实施例的挤压力的大小可以但不限于与实施例1相同。

由上可见，本实施例对装配体的模型进行了简化，采用中面截断的模组模型进行有网格划分，极大的减少了接触对的设置数量，简化了整个电芯膨胀力仿真分析流程、提高仿真分析的效率。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种电池组模组膨胀变形的仿真方法，其特征是，包括：

2.根据权利要求1所述的电池组模组膨胀变形的仿真方法，其特征是，

所述电池组模组沿垂直于所述X轴的中面镜像对称，

3.根据权利要求1所述的电池组模组膨胀变形的仿真方法，其特征是，

网格划分所述球形曲面，包括：二维网格划分所述球形曲面。

4.根据权利要求1至3之任一所述的电池组模组膨胀变形的仿真方法，其特征是，

装配体的部件模型包括：位于所述电池组最外侧的电芯的最大面外的端板模型；

网格划分所述装配体各部件模型，包括：

三维网格划分所述端板模型；

计算装配体各部件模型的应力以及形变，包括：

计算所述端板模型的应力以及形变。

5.根据权利要求4所述的电池组模组膨胀变形的仿真方法，其特征是，

装配体的部件模型还包括：沿所述X轴延伸禁锢在两相对的所述端板模型外的捆扎轧带模型；

网格划分所述装配体各部件模型，还包括：

二维网格划分所述捆扎轧带模型；

计算装配体各部件模型的应力以及形变，还包括：

计算所述捆扎轧带模型的应力以及形变。

6.根据权利要求5所述的电池组模组膨胀变形的仿真方法，其特征是，

装配体的部件模型还包括：螺杆模型，垂直于所述X轴，贯穿所述端板模型，用于将所述端板固定在固定钣金模型上，所述固定钣金模型用于仿真所述端板与外部固定件的装配固定；

网格划分所述装配体各部件模型，还包括：

三维网格划分所述螺杆模型；

计算装配体各部件模型的应力以及形变，还包括：

计算所述螺杆模型的应力以及形变。

7.根据权利要求6所述的电池组模组膨胀变形的仿真方法，其特征是，

装配体的部件模型还包括：所述固定钣金模型；

网格划分所述装配体各部件模型，还包括：

二维网格划分所述固定钣金模型；

计算装配体各部件模型的应力以及形变，还包括：

计算所述固定钣金模型的应力以及形变。