CN113536636A - 动力电池模组结构强度的测试方法、装置及储存介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动力电池模组结构强度的测试方法、装置及储存介质。方法包括：建立动力电池模组中各结构的有限元模型，按照实际装配关系进行装配，定义模型中各零件的材料；对动力电池单体进行温度膨胀仿真，获取电池单体达到目标膨胀力时的温升；施加有限元模型载荷：单体内部的膨胀载荷，通过上述步骤的单独仿真获取，并通过温升的形式施加在模型中；螺栓预紧力；箍带预紧力；施加有限元模型边界条件；计算结构静强度安全系数；重新定义有限元模型中零件的弹塑性属性；进行弹塑性有限元分析，计算结果包括应力结果及塑性应变计算结果；根据计算结果判断动力电池模组的结构强度是否合格。本发明能精确预测膨胀力工况下动力电池模组的结构强度。

Description

动力电池模组结构强度的测试方法、装置及储存介质

技术领域

本发明涉及动力电池模组强度检测技术领域，尤其涉及一种动力电池模组结构强度的测试方法、装置及储存介质。

背景技术

锂离子电池在充放电工作过程中，内部电芯发生的化学反应会使单体壳内压力增大，从而引起电芯单体膨胀，由电芯单体串并联形成电池模组也必然因为内部电芯间的膨胀挤压而变形受力，并且这也是电池模组端板等结构的强度性能的较危险工况。在产品设计过程中，通常采用两种手段来获得电池模组端板等结构的强度性能。一种是试验测试手段，其严重依赖试验设备和模组的状态。通常试验样件和量产样件在生产工艺和装配条件上均有较大差异，并且试验周期很长，导致性能验证滞后，不能满足产品开发需要。另一种是通过仿真技术手段，但其目前处于探索阶段，大部分有限元仿真流程对模组单体和膨胀力作用的方式等都进行了简化，由于简化模式不一，导致仿真结果离散度较高。

因此，亟待提供一种动力电池模组结构强度的测试方法、装置及储存介质来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力电池模组结构强度的测试方法、装置及储存介质，本发明能够精确预测膨胀力工况下动力电池模组端板等结构强度性能，以满足产品开发需要。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种动力电池模组结构强度的测试方法，包括如下步骤：

A、建立动力电池模组中各结构的有限元模型，按照实际装配关系进行装配，并定义有限元模型中各零件的材料；

B、对动力电池单体进行温度膨胀仿真，获取动力电池单体达到目标膨胀力时的温升△T；

C、施加有限元模型载荷，有限元模型载荷包括：

单体内部的膨胀载荷，通过步骤B的单独仿真获取，并通过温升△T的形式施加在模型中；

螺栓预紧力，由螺栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，并施加到螺栓上；

含有箍带结构的动力电池模组的箍带预紧力，其施加模式与螺栓预紧力一致；

D、施加有限元模型边界条件；

E、求解有限元模型，计算结构静强度安全系数；

F、重新定义有限元模型中零件的弹塑性属性；

G、进行弹塑性有限元分析，计算结果至少包括应力结果及塑性应变计算结果；

H、根据步骤E和步骤G的计算结果判断动力电池模组各位置的结构强度是否合格。

作为上述动力电池模组结构强度的测试方法的可选方案，所述步骤A具体包括：

A1、建立动力电池单体有限元模型：动力电池单体有限元模型包括单体外壳、单体盖板及内部简化结构；内部简化结构根据大面面积分为多个面积相同区域，且各区域面积相等；

A2、建立动力电池模组除动力电池单体外的其它结构的有限元模型，并按照实际装配关系进行装配；

A3、定义有限元模型材料：定义各零部件有限元模型材料的弹性模量E、泊松比μ；动力电池单体的内部简化结构需定义弹性模量E、泊松比μ及热膨胀系数α，定义动力电池单体厚度方向的热膨胀系数为α₁₁，从动力电池单体边缘向内部α₁₁依次设置为：

式中，E为单体内部简化结构材料的弹性模量；动力电池单体长度方向和高度方向的热膨胀系数定义为0。

作为上述动力电池模组结构强度的测试方法的可选方案，所述步骤A中，动力电池单体内部的弹性模量E根据电池单体压缩实测进行换算，电池单体在组装时先进行夹紧再组装，根据夹紧力和夹紧位移进行有限元仿真，根据差分法反推单体内部简化结构的弹性模量E。

作为上述动力电池模组结构强度的测试方法的可选方案，所述步骤C中，螺栓预紧力采用如下公式计算得到，作用方向沿螺栓的轴向：

式中，F为螺栓预紧力，T为螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，D为螺栓直径。

作为上述动力电池模组结构强度的测试方法的可选方案，所述步骤E中，求解计算有限元模型采用牛顿法进行非线性静力学求解，结算各个结构的应力、应变。

作为上述动力电池模组结构强度的测试方法的可选方案，所述步骤F具体包括：

在步骤A3的基础上，将单向拉伸或压缩试验获得的试样长度和载荷数据按照下面公式(三)和公式(四)转化为名义应力σ_nom和名义应变ε_nom：

式中，l₀是试验试样初始长度，Δl是试样长度变化量，F时试验载荷，A₀是试样初始截面面积；

根据下面公式(五)、公式(六)和公式(七)，将材料的名义应力σ_nom和名义应变ε_nom转化为真实应力和塑性应变，并赋给相应的零部件有限元模型：

ε_true＝ln(1+ε_nom) (五)

σ_true＝σ_nom(1+ε_nom) (六)

式中，σ_true为真实应力，ε_true为真实应变，ε_pl为塑性应变，ε_el为弹性应变。

作为上述动力电池模组结构强度的测试方法的可选方案，所述步骤F中，当材料的断裂延伸率δ≤5％时，不需要定义弹塑性属性；当材料塑性应变ε_pl小于1×10^-6时，将其取0。

作为上述动力电池模组结构强度的测试方法的可选方案，所述步骤H中，当被检测位置的静强度安全系数≤1.5，且塑性应变≥材料的断裂延伸率时，判断该位置有断裂风险；当被检测位置的静强度安全系数＞1.5，且塑性应变＜材料的断裂延伸率时，判断该位置结构设计安全。

一种动力电池模组结构强度的测试装置，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的动力电池模组结构强度的测试方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的动力电池模组结构强度的测试方法。

本发明的有益之处在于：

(1)本发明充分利用有限元分析计算周期短以及预测准确等优点，同时利用静强度安全系数和等效塑性应变作为结构的强度性能预报。其中，静强度安全系数考虑结构应力形式、应力状态、应力梯度、有限元网格等影响，塑性应变是材料屈服后发生塑性变形的量值的表征，通过塑性应变与材料断裂延伸率的比较，预报结构的强度性能。

(2)本发明提供了一种规范化和流程化的预测膨胀力工况下动力电池模组端板等结构强度性能的方法，其避免了工程师主观性判断带来的计算结果离散度较大问题，统一了判别标准，提升了仿真效率。

(3)本发明的动力电池模组结构强度的测试方法能预测膨胀力工况下动力电池模组端板等结构强度性能，既可以用于产品开发前期阶段，指导结构优化设计，提升结构强度耐久性能，保证产品一次性通过试验验证，又可以用于产品开发后期，用于解决因膨胀力问题导致的动力电池模组端板等结构破坏的问题。

附图说明

图1为本发明中动力电池模组结构强度的测试方法的流程框图；

图2为本发明中动力电池模组的结构示意图；

图3为本发明中动力电池单体的内部简化结构分组示意图；

图4为本发明中动力电池单体内部简化结构弹性模量仿真模型示意图；

图5为本发明中动力电池单体膨胀仿真模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

实施例一

本发明实施例一提供一种动力电池模组结构强度的测试方法。如图1所示，控制方法包括：

〈一〉有限元分析模型建立

S100、建立动力电池模组中各结构的有限元模型，按照实际装配关系进行装配，并定义有限元模型中各零件的材料。

具体的，步骤S100包括：

1)建立动力电池单体有限元模型：动力电池单体有限元模型包括单体外壳、单体盖板及内部简化结构；内部简化结构根据大面面积分为多个面积相同区域，且各区域面积相等。具体为，参考图3，动力电池单体的内部简化结构分为4个面积相同的区域，且S1＝S2＝S3＝S4。并且，每个区域至少在宽度方向包含3个单元以上，以保证结构变形平缓均匀。

2)建立动力电池模组除动力电池单体外的其它结构的有限元模型，并按照实际装配关系进行装配。参考图2，除动力电池单体3外的其它结构包括：动力电池箱体、模组侧板、模组端板1、铝巴2、绝缘垫、隔热垫、连接件(螺栓或箍带4)等结构。其中需要注意的是，铝巴2与顶盖一般采用焊接形式装配，可采用共节点的方式模拟。

3)定义有限元模型材料：定义各零部件有限元模型材料的弹性模量E、泊松比μ。一般情况下钢材E＝210GPa，μ＝0.30；铝合金材料E＝70GPa，μ＝0.33。需要注意的是，隔热垫或缓冲垫等结构一般采用硅橡胶材料，如果不能准确获得材料的弹性模量E和泊松比μ，可采用Mooney-Revlin模型进行模拟。

其中，动力电池单体的内部简化结构需定义弹性模量E、泊松比μ及热膨胀系数α。热膨胀系数α取各向异性，也就是说内部简化结构不同方向上的膨胀系数α不同。按照有限元模型坐标系，定义动力电池单体厚度方向的热膨胀系数为α₁₁，从动力电池单体边缘向内部α₁₁依次设置为：

式中，E为单体内部简化结构材料的弹性模量；α′₁₁、α″₁₁、α″′₁₁、α″″₁₁分别对应前文所说的动力电池单体内部简化结构的四个区域，也就是前文所说的S1、S2、S3和S4。

动力电池单体其他两个方向(长度方向和高度方向)的热膨胀系数α₂₂和α₃₃定义为0。

动力电池单体内部的弹性模量E，根据电池单体压缩实测进行换算。一般电池单体在组装时先进行夹紧再再组装端板和箍带等结构，根据夹紧力和夹紧位移进行有限元仿真(如图4所示)，根据差分法反推单体内部简化结构的弹性模量E。

〈二〉载荷边界条件施加

S200、对动力电池单体进行温度膨胀仿真，获取动力电池单体达到目标膨胀力时的温升△T。

具体的，步骤S200包括：

4)取一个动力电池单体进行温度膨胀仿真，目的是获取动力电池单体达到目标膨胀力时的温升△T，有限元计算模型如图5所示，其中左侧钢结构全约束，右侧钢结构全约束，两侧钢结构和单体之间为接触关系。在单体上施加温度载荷，直到左侧约束点的法向支反力达到预定膨胀力时，获取此时的温升△T。

S300、施加有限元模型载荷，有限元模型载荷包括：

单体内部的膨胀载荷，通过步骤B的单独仿真获取，并通过温升△T的形式施加在模型中；

螺栓预紧力，由螺栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，并施加到螺栓上；

含有箍带结构的动力电池模组的箍带预紧力，其施加模式与螺栓预紧力一致。

具体的，步骤S300包括：

5)施加有限元模型载荷：有限元模型载荷包括三类：一类是单体内部的膨胀载荷，通过步骤4)的单独仿真获取，并通过温升△T的形式施加在整体模型中；第二类是螺栓预紧力，其由螺栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，并施加到螺栓上；第三类是含有箍带结构的动力电池模组的箍带预紧力，其施加模式与螺栓预紧力一致。

步骤5)中，螺栓预紧力采用如下公式(二)计算得到，作用方向沿螺栓的轴向：

式中，F为螺栓预紧力，T为螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，D为螺栓直径。

S400、施加有限元模型边界条件。

具体的，步骤S400包括：

6)施加有限元模型边界条件：如果截取的模型中包含电池包固定点，固定点约束全部自由度，模拟实际工作中的支撑状态。其他截取面均采用对称约束的方式进行约束。

〈三〉静力学求解和静强度安全系数计算

S500、求解有限元模型，计算结构静强度安全系数。

具体的，步骤S500包括：

7)求解计算有限元模型：采用牛顿法进行非线性静力学求解，计算各个结构的应力、应变等。

8)计算结构静强度安全系数：采用软件计算，充分考虑应力梯度、应力状态等因素影响。

〈四〉弹塑性分析评价

S600、重新定义有限元模型中零件的弹塑性属性。

具体的，步骤S600包括：

9)重新定义有限元模型关键零部件的弹塑性属性：在步骤3)的基础上，将单向拉伸或压缩试验获得的试样长度和载荷数据按照下面公式(三)和公式(四)转化为名义应力σ_nom和名义应变ε_nom：

式中，l₀是试验试样初始长度，Δl是试样长度变化量，F时试验载荷，A₀是试样初始截面面积；

根据下面公式(五)、公式(六)和公式(七)，将材料的名义应力σ_nom和名义应变ε_nom转化为真实应力和塑性应变，并赋给相应的零部件有限元模型：

ε_true＝ln(1+ε_nom) (五)

σ_true＝σ_nom(1+ε_nom) (六)

式中，σ_true为真实应力，ε_true为真实应变，ε_pl为塑性应变，ε_el为弹性应变。

步骤9)中，可定义关键零部件材料的弹塑性属性，包括端板、侧板、铝巴等结构。但是当结构件材料为脆性材料时，即材料的断裂延伸率δ≤5％时，不需要定义弹塑性属性；

当材料塑性应变ε_pl小于1×10^-6时，将其直接取为0。

S700、进行弹塑性有限元分析，计算结果至少包括应力结果及塑性应变计算结果。

具体的，步骤S700包括：

10)进行弹塑性有限元分析：输出的计算结果至少包含应力结果、塑性应变计算结果等。

S800、根据步骤S500和步骤S700的计算结果判断动力电池模组各位置的结构强度是否合格。

具体的，步骤S800包括：

11)综合步骤8)的静强度安全系数计算结果和步骤10)的计算结果进行综合评价。当被检测位置(危险点)静强度安全系数≤1.5，且塑性应变≥材料的断裂延伸率时，该位置由断裂风险，必须改进；当被检测位置(危险点)静强度安全系数＞1.5，且塑性应变＜材料的断裂延伸率时，该位置结构设计安全可靠；其他情况需要在试验中给予关注。

实施例二

基于上述动力电池模组结构强度的测试方法，本发明实施例二还提供另一种动力电池模组结构强度的测试装置。测试装置包括但不限于：一个或者多个处理器及存储器。

存储器作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的动力电池模组结构强度的测试方法对应的程序指令。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序、指令以及模块，从而执行车辆的各种功能应用以及数据处理，即实现上述动力电池模组结构强度的测试方法。

存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。

实施例三

本发明实施例三还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种动力电池模组结构强度的测试方法，该动力电池模组结构强度的测试方法包括如下步骤：

S100、建立动力电池模组中各结构的有限元模型，按照实际装配关系进行装配，并定义有限元模型中各零件的材料；

S200、对动力电池单体进行温度膨胀仿真，获取动力电池单体达到目标膨胀力时的温升△T；

S300、施加有限元模型载荷，有限元模型载荷包括：

单体内部的膨胀载荷，通过步骤B的单独仿真获取，并通过温升△T的形式施加在模型中；

螺栓预紧力，由螺栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，并施加到螺栓上；

含有箍带结构的动力电池模组的箍带预紧力，其施加模式与螺栓预紧力一致；

S400、施加有限元模型边界条件；

S500、求解有限元模型，计算结构静强度安全系数；

S600、重新定义有限元模型中零件的弹塑性属性；

S700、进行弹塑性有限元分析，计算结果至少包括应力结果及塑性应变计算结果；

S800、根据步骤E和步骤G的计算结果判断动力电池模组各位置的结构强度是否合格。

当然，本发明实施例所提供的一种计算机可读存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的动力电池模组结构强度的测试方法中的相关操作。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用，使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程设备。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过计算机可读存储介质进行传输。计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如，同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如，红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(Solid State Disk，SSD))等。

上述实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种动力电池模组结构强度的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、建立动力电池模组中各结构的有限元模型，按照实际装配关系进行装配，并定义有限元模型中各零件的材料；

B、对动力电池单体进行温度膨胀仿真，获取动力电池单体达到目标膨胀力时的温升△T；

C、施加有限元模型载荷，有限元模型载荷包括：

单体内部的膨胀载荷，通过步骤B的单独仿真获取，并通过温升△T的形式施加在模型中；

螺栓预紧力，由螺栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，并施加到螺栓上；

含有箍带结构的动力电池模组的箍带预紧力，其施加模式与螺栓预紧力一致；

D、施加有限元模型边界条件；

E、求解有限元模型，计算结构静强度安全系数；

F、重新定义有限元模型中零件的弹塑性属性；

G、进行弹塑性有限元分析，计算结果至少包括应力结果及塑性应变计算结果；

H、根据步骤E和步骤G的计算结果判断动力电池模组各位置的结构强度是否合格。

2.根据权利要求1所述的动力电池模组结构强度的测试方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

A1、建立动力电池单体有限元模型：动力电池单体有限元模型包括单体外壳、单体盖板及内部简化结构；内部简化结构根据大面面积分为多个面积相同区域，且各区域面积相等；

A2、建立动力电池模组除动力电池单体外的其它结构的有限元模型，并按照实际装配关系进行装配；

A3、定义有限元模型材料：定义各零部件有限元模型材料的弹性模量E、泊松比μ；动力电池单体的内部简化结构需定义弹性模量E、泊松比μ及热膨胀系数α，定义动力电池单体厚度方向的热膨胀系数为α₁₁，从动力电池单体边缘向内部α₁₁依次设置为：

式中，E为单体内部简化结构材料的弹性模量；动力电池单体长度方向和高度方向的热膨胀系数定义为0。

3.根据权利要求2所述的动力电池模组结构强度的测试方法，其特征在于，所述步骤A中，动力电池单体内部的弹性模量E根据电池单体压缩实测进行换算，电池单体在组装时先进行夹紧再组装，根据夹紧力和夹紧位移进行有限元仿真，根据差分法反推单体内部简化结构的弹性模量E。

4.根据权利要求1所述的动力电池模组结构强度的测试方法，其特征在于，所述步骤C中，螺栓预紧力采用如下公式计算得到，作用方向沿螺栓的轴向：

式中，F为螺栓预紧力，T为螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，D为螺栓直径。

5.根据权利要求1所述的动力电池模组结构强度的测试方法，其特征在于，所述步骤E中，求解计算有限元模型采用牛顿法进行非线性静力学求解，结算各个结构的应力、应变。

6.根据权利要求2所述的动力电池模组结构强度的测试方法，其特征在于，所述步骤F具体包括：

在步骤A3的基础上，将单向拉伸或压缩试验获得的试样长度和载荷数据按照下面公式(三)和公式(四)转化为名义应力σ_nom和名义应变ε_nom：

式中，l₀是试验试样初始长度，Δl是试样长度变化量，F时试验载荷，A₀是试样初始截面面积；

根据下面公式(五)、公式(六)和公式(七)，将材料的名义应力σ_nom和名义应变ε_nom转化为真实应力和塑性应变，并赋给相应的零部件有限元模型：

ε_true＝ln(1+ε_nom) (五)

σ_true＝σ_nom(1+ε_nom) (六)

式中，σ_true为真实应力，ε_true为真实应变，ε_pl为塑性应变，ε_el为弹性应变。

7.根据权利要求6所述的动力电池模组结构强度的测试方法，其特征在于，所述步骤F中，当材料的断裂延伸率δ≤5％时，不需要定义弹塑性属性；当材料塑性应变ε_pl小于1×10^-6时，将其取0。

8.根据权利要求1所述的动力电池模组结构强度的测试方法，其特征在于，所述步骤H中，当被检测位置的静强度安全系数≤1.5，且塑性应变≥材料的断裂延伸率时，判断该位置有断裂风险；当被检测位置的静强度安全系数＞1.5，且塑性应变＜材料的断裂延伸率时，判断该位置结构设计安全。

9.一种动力电池模组结构强度的测试装置，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-8中任一所述的动力电池模组结构强度的测试方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的动力电池模组结构强度的测试方法。

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