一套新能源汽車動力系統結構模擬分析攻略（附公開課）

2021-09-05由車輪子發表于體育

原創劉軍濤模擬秀昨天

作者 |

子沐-熱模擬秀優秀講師

新能源汽車電池PACK系統是整車佔用資源和成本最大的一部分，超過1/2甚至更多，能否整合高可靠性、高性價比的電池PACK系統是新能源汽車能否被市場認可和接受的必備前提，在整個研發的過程中，CAX（CAD、CAE、CAM）輔助設計與製造貫穿全程，而CAE更是承前啟後，對研發機構理解和掌握產品設計與產品效能起到關鍵性作用。

隨著CAE模擬技術在汽車行業的廣泛實施與應用，CAE技術能夠幫助企業縮短產品設計週期，降低產品設計成本方面起到了重要的作用，已然成為產品研發中從總體設計到詳細設計各個設計階段，以及從氣動、傳熱、強度到控制等各個部門和學科的主要效能驗證與改進手段。

隨著對CAE技術的認知，企業也逐漸從軟體選擇與操作階段過渡到CAE規範與CAE企業標準制定階段。

筆者多年從事汽車行業的CAE專案實施和技能培養，幾年前就提出CAX資源計劃的概念，幫助企業制定和實施企業CAE規範、標準化和CAE人才團隊的培養，尤其是在新能源汽車電池系統CAE技術應用方面領域積累的豐富的經驗，2013年，創立上海雙帝計算機科技有限公司，為客戶提供CAE模擬計算、工程技術諮詢與CAE模擬人才培養輸出，目前是國內領先的CAE技術服務提供商，並在國內首次提出了企業 CAE 資源計劃的專案，簡稱做 CRP 專案，CRP-CAE RESOURCE PLANNING，即 CAE 資源計劃。

由雙帝提出，致力於與企業共同實現智造轉型。

透過重新定義和規劃企業CAE 資源，有效聯結 CAD產品設計與產品製造&測試環節，打通企業 CAD-CAE-CAM 三個環節的障礙，完成產品研發的閉環流程改造。透過CAE 團隊可靠、穩定的 CAE 模擬分析，把控產品設計細節，使設計、分析、製造部門均能知其然，

知其所以然，以促進企業向智造轉型的過程。

在電池PACK進行CAE方針時，大量的工程師參與到CAE模擬分析工作中去，不同的分析工程師在分析過程中，由於自身掌握的相關專業知識、軟體掌握能力以及對產品本身的理解程度，往往在模型簡化、網格劃分、邊界條件的處理上各不相同，具有較大的自主性，這就造成了不同的分析人員對於同一問題分析結果有一定差異，導致產品設計者對於分析結果的懷疑；在這種情況下要對此分析結果無法形成統一結論，使得CAE團隊被挑戰甚至被懷疑，極為浪費人力、物力，且不利於各個部門同心協力的合作。

電池系統 CAE模擬分析建模、劃分網格、載入、出報告等重

復性工作非常耗時，但每次又不得不去做，這些無增值的重複勞動使原本不多的高階分析人員和專家等寶貴資源陷入了基礎性分析工作的泥潭，沒有時間做更高階的分析和技術創新，這對企業競爭力的提升是一個極大的阻礙。

同時由於模擬分析工作需要經過CAD/CAE建模、不同的效能模擬分析求解、結果評估和報告書寫過程，該過程用到各種不同工具軟體，導致分析人員頻繁地進行資料轉換、傳遞與更改，容易導致人為的錯誤而且浪費時間。

基於PACK分析的特點，重視新產品研發的企業迫切需要建立自己的CAE模擬規範，用來解決目前CAE模擬存在的各種問題。透過CAE模擬規範的建立，一方面可以用以指導、規範有限元分析工作；另一方面可以形成自身的知識積累，便於其他分析人員快速進入到規範的工作流程中，使企業的CAE模擬工作高效、快捷、準確的進行，為產品研發提供強有力的保障。其主要的作用包括：

1、能夠明確產品的效能要求，一個產品具有不同種類的效能要求，首先確定哪些效能指標需要進行模擬分析驗證；

2、能夠確定性能指標的評價標準，這需要在對同類產品進行大量試驗測試、計算分析、質量事故統計、參考相關標準的基礎上形成；

3、制定有限元建模標準，重點內容是網格質量標準、邊界條件與載荷標準，材料資料、連線模擬標準（螺栓、點焊、縫焊等），這需要在大量試驗測試結果與計算結果相互校對的基礎上形成；

4、確定計算結果的處理方法，最終的計算結果可能需要在已有的計算輸出中

筆者以《

一套新能源汽車動力系統結構模擬分析》為研究內容

，與模擬秀平臺開發了這套新能源汽車結構模擬高階課程技術課，以下是我線上培訓，

購買課程使用者提供一對一輔導2小時和我的專欄服務一年。

以下是我的線上培訓安排。

涵蓋的知識內容

以下為本專案分析報告節選內容：

一、說明

1、分析說明

本專案是由****能源科技股份有限公司實施，對其E-100系統進行結構（包含結構強度、振動、機械衝擊、跌落、模擬碰撞、翻轉）和熱分析CAE模擬計算（參照附件：技術協議），擬車輛在實際執行過程中，經歷的機械載荷的情況下蓄電池pack系統及框架結構的應變和應力情況，分析結構是否可以滿足設計要求。

除此之外，本專案進行了25℃和40℃環境溫度，按照NEDC工況和最高車速工況進行計算，計算其在充電並且行駛至電量用完工況下的系統溫升和電池組溫差結果。

2、分析標準

① 結構分析標準

按照2015版GB/T31467。3標準進行分析設定，具體引數參照標準要求。

② 熱分析標準

按照客戶提供引數要求對電池包進行溫升和溫差情況計算，具體包括：

3、判定標準

機械結構分析判定標準，按照2015版GB/T31467。3執行。

① 不起火、不爆照、無機械破壞，不漏液

② 本分析報告是按照3σ來進行強度校核的，可靠性係數為99。73%，因此安全係數只要大於1就可以滿足設計要求。

熱分析判定標準，按照客戶要求計算電池包溫度升高和電池組溫差。

二、模型說明

1、模型說明

模型模型說明

表1 系統引數輸入

額定電壓

115。2V

額定容量

190。4V

電池組電壓範圍

91。2V~133。9V

標稱能量

21。934KWh

SOC範圍

1%~100%

工作溫差

小於5℃

充放電能量效率

≥97%

持續最大充電電流

60A

峰值充電電流

150A

持續最大放電電流

170A

峰值放電電流

350A

電芯型別

三元

電芯重量

45g

工況描述與續航里程

NEDC或最高車速，全程

工作溫度範圍

充電0℃ ~ 50℃

放電-20℃ ~ 60℃

迴圈次數（溫度/倍率）

200次大於97% 25℃/1C

電池箱總重量

156Kg

系統能量比

140Wh/Kg

環境相對溼度

5%~90%

冷卻方式

自然冷卻

水塵防護標準

IP67

車型

純電

2、材料說明

E-100專案關鍵材料包括：電芯、系統外殼、結構件等，主要材料屬性如表1所示。

表2材料屬性

3、機械結構分析

機械結構分析部分按照2015版GB/T31467。3所列條款實驗條件，以CAE計算的方式對電池包進行計算，包含結構強度、振動分析、機械衝擊、跌落、擠壓、模擬碰撞、翻轉七大部分內容。

① 結構強度分析

結構強度分析部分，是按照Z向+/-5G，X，Y向+/-3G的加速度載荷對電池包進行靜力學計算，檢視其電池包整體框架、支架以及模組結構件的應力狀態，評估電池包整天安全結構強度是否足夠。

（1）系統變形結果分析

整體變形結果顯示，在Z向+/-5G，X，Y向+/-3G的加速度載荷的情況下，系統所有部件的變形最大為2。75mm，發生的位置為中間模組的下拉桿位置，此處產生的原因主要為拉桿預緊力有可能會導致拉桿軸向收緊變形，需要廠家關注此處拉桿的抗壓強度和抗拉強度（模組拉桿供應商確定抗拉強度，**工藝小組確定拉桿出螺母的預緊力大小，此處在做分析時，按照8。8級螺栓標準進行預緊力設定）。其他位置（外殼、支架、模組等）變形小於1mm，不會發生任何破壞。

整體變形

中間模組下拉桿變形

外殼變形

加強筋變形

模組與匯流排位移

（2）系統應力結果分析

結構分析應力結果顯示，殼體最大應力為129MPa，所選用材料DC04，其抗拉強度為270MPa，抗拉安全係數與疲勞安全係數均在1。5以上，計算結果顯示安全。

殼體應力

模組支架絕大多數區域的應力未超過200MPa，區域性區域大過200MPa是由於底部螺栓和模組拉桿螺栓的預緊力作用下產生的螺栓孔周圍的應力集中現象，唯一的破壞形式是孔周圍發生塑性變形，鑑於超過3/4區域的應力水平並不高，所以模組支架整體安全效能夠保證不會發生破壞。

模組支架

模組支架安全係數

加強筋應力水平絕大部分割槽域應力水平小於100MPa，但與模組及BMS連線的螺柱位置有應力集中，加強筋本體結構強度足夠，會起到保護作用，此處連線螺柱與加強筋焊接工藝，需要嚴格控制此處連線焊接強度。

加強筋應力分佈

BMS支架位置的最大應力位置出現在螺栓連線空位置，應力水平最大60MPa的應力水平，所選材料按照SPCC計算（抗拉強度270MPa），，鑑於所選材料按照SPCC計算（抗拉強度270MPa），安全係數大於4。0，能夠認為目前設計，該BMS支架結構強度是安全的。

BMS支架應力

模組拉桿是系統分析應力最大的部件之一，拉桿預緊力是一個關鍵控制引數，參照8。8級螺栓施加預緊載荷時，拉桿的整體應力水平能在400MPa左右，此處，拉桿所選材料為M10螺桿，M10X800mm，材質：65Mn，螺紋強度達到8。8級，加強筋模組連線螺柱防滑法蘭M10螺母，不鏽鋼304材質硬度8。8，能夠承受的抗拉強度為640MPa，此處，能夠滿足安全性要求。