導(dǎo)讀：6月5日5時(shí)43分許，一輛浙A牌照的小型普通客車(chē)沿S2滬杭高速駛出杭州收費(fèi)站時(shí)，碰撞收費(fèi)站設(shè)施后起火，造成車(chē)上4人死亡。據(jù)監(jiān)控及目擊影像顯示，事發(fā)時(shí)，這輛白色電動(dòng)汽車(chē)在進(jìn)入收費(fèi)站時(shí)似乎沒(méi)有減速，徑直撞上了收費(fèi)站的站臺(tái)，高速導(dǎo)致車(chē)輛解體，有車(chē)體碎片飛濺，車(chē)輛迅速燃起熊熊大火。

碰撞起火是新能源汽車(chē)目前最大的安全隱患之一。“動(dòng)力電池由于機(jī)械碰撞破碎或泄漏，遇到電弧或火花，就會(huì)起火且容易爆燃。鋰電池的特性也讓電動(dòng)車(chē)起火火勢(shì)迅速猛烈、難以撲滅。因此新能源車(chē)企致力于降低碰撞安全風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)動(dòng)力電池設(shè)計(jì)、熱管理系統(tǒng)提出了更高要求。”

而在筆者看來(lái)，和傳統(tǒng)的燃油車(chē)相比，其實(shí)新能源車(chē)出事故的頻次更低，所以從理論上講它是更安全的。但是為什么這些事故引起大家的反應(yīng)很大？因?yàn)樾履茉窜?chē)的事故和燃油車(chē)出事故不一樣，燃油車(chē)事故往往不會(huì)那么嚴(yán)重，而新能源車(chē)一出事故，可能會(huì)有傷亡，并且它的火比較難滅，所以大家就很敏感。

6月15日19時(shí)30分，筆者受邀在仿真秀2023動(dòng)力電池與儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真技術(shù)講座第三期帶來(lái)《動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)仿真分析與案例應(yīng)用》，講述動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)仿真分析的完整解決方案。詳情見(jiàn)后文。

一、動(dòng)力電池的可靠性與安全性

動(dòng)力電池出事故就涉及到這個(gè)可靠性和安全性。可靠性是指在某些條件下動(dòng)力電池能夠正常運(yùn)行。安全性是指某些條件下動(dòng)力電池保護(hù)自身和保護(hù)成員的能力。比如車(chē)發(fā)生火情，這個(gè)就涉及到人身安全和車(chē)自身安全，那就是安全性的問(wèn)題。可靠性和安全性，涉及的不僅僅是我們今天講的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，除了機(jī)械載荷，還有環(huán)境的一些影響，以及和電性能相關(guān)。

接下來(lái)給大家分享機(jī)械載荷的原因。比如顯式動(dòng)力學(xué)分析的跌落和擠壓等，對(duì)應(yīng)的工況可能會(huì)造成安全性問(wèn)題。

對(duì)于動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)仿真分析，其實(shí)我們的最終目的就在于提高它的可靠性和安全性。

二、研發(fā)流程

傳統(tǒng)的研發(fā)流程是在設(shè)計(jì)之后制造一個(gè)樣品，然后去做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。樣品實(shí)驗(yàn)成功之后可能還會(huì)做小批量實(shí)驗(yàn)，然后到大批量應(yīng)用。這是傳統(tǒng)的研發(fā)流程。

在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證之間，更先進(jìn)的研發(fā)流程加入了仿真環(huán)節(jié)，仿真又稱之為虛擬的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際上就是用數(shù)字模型來(lái)做實(shí)驗(yàn)，在電腦中做實(shí)驗(yàn)。如果仿真驗(yàn)證通過(guò)了，往往意味著我們做樣品實(shí)驗(yàn)的成功率會(huì)更大。如果沒(méi)有仿真環(huán)節(jié)，當(dāng)樣品實(shí)驗(yàn)通不過(guò)，我們很難知道為什么通不過(guò)，也不知道怎么修改設(shè)計(jì)，這無(wú)疑會(huì)增加研發(fā)周期和研發(fā)成本。

三、電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大家都知道，將電芯放在模組里面，幾個(gè)模組組合在一起放在電池包里面。可以稱為小模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這個(gè)行業(yè)里面，也能聽(tīng)到一些電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新技術(shù)，比如CTP，是大模組設(shè)計(jì)、無(wú)模組設(shè)計(jì)。直接把電芯放在這個(gè)電池包里面，減少模組或沒(méi)有模組。這樣提高了能量密度，降低了制造成本。還有特斯拉的CTC，比亞迪的CTB。大家聽(tīng)到這些CTP、CTB、CTC都算是新技術(shù)，總體來(lái)說(shuō)，電池包小模組設(shè)計(jì)當(dāng)前還是主流。

對(duì)于模組設(shè)計(jì)，需要考慮模組尺寸問(wèn)題，模組的連接問(wèn)題。模組和電芯的連接，模組和箱體之間的連接等等，對(duì)于電箱設(shè)計(jì)，需要考慮電箱和車(chē)體的連接等等，這些都是電池設(shè)計(jì)工程師需要考慮的因素。

設(shè)計(jì)工程師看到別的產(chǎn)品用5毫米板厚，他就用5毫米。那么用3毫米板厚是否可以，只有做了仿真才會(huì)知道。即使做實(shí)驗(yàn)也很難判斷這個(gè)問(wèn)題。所以有些問(wèn)題，必須要通仿真來(lái)認(rèn)識(shí)和理解。

四、電池包結(jié)構(gòu)仿真

回到電池結(jié)構(gòu)仿真，下圖寫(xiě)了11個(gè)分析類(lèi)型。強(qiáng)度和剛度分析屬于靜力學(xué)。定頻振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)以模態(tài)分析為基礎(chǔ)。電池結(jié)構(gòu)的疲勞主要是研究定頻振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)引起的振動(dòng)疲勞。還有機(jī)械沖擊，慣性載荷比較大。還有跌落、擠壓等。另外還有耦合場(chǎng)分析。

對(duì)于強(qiáng)度剛度分析，施加慣性載荷，查看電池包的變形和應(yīng)力。

對(duì)于模態(tài)分析，其實(shí)很多人忽視了模態(tài)分析的重要性。其實(shí)模態(tài)分析非常之重要，它是動(dòng)力學(xué)分析的一個(gè)最基本的分析。

對(duì)于定頻振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)，很多廠商有電磁振動(dòng)臺(tái)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，設(shè)置振動(dòng)條件，把電池包產(chǎn)品放在振動(dòng)臺(tái)上做實(shí)驗(yàn)。相同的振動(dòng)條件，輸入到仿真軟件，等于是做虛擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于疲勞分析，主要研究長(zhǎng)時(shí)間的定頻振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)引起的疲勞損傷。

對(duì)于機(jī)械沖擊分析，7個(gè)G的加速度常常會(huì)導(dǎo)致電池包局部產(chǎn)生塑形變形。需要定義彈塑性材料模型。

對(duì)于跌落分析、擠壓分析、球擊分析等。最先著地的位置肯定會(huì)產(chǎn)生較大的不可恢復(fù)的變形，這種不可恢復(fù)的變形也就是塑形變形，也需要定義彈塑性材料模型。擠壓分析，電池包變形更加嚴(yán)重。球擊分析，球擊位置也會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形。對(duì)于這幾種分析，使用通用結(jié)構(gòu)軟件無(wú)法完成求解，需要使用顯式動(dòng)力學(xué)專用軟件。

責(zé)任編輯：彭菁