报批稿中的24Hz定频试验,对应实际场景是车辆匀速通过通州试验场的搓板路。实际上,搓板路工况虽然对悬架和悬置系统是比较严苛的考验,但对电池包结构的伤害并不大。对于定频振动疲劳分析,采用疲劳软件中最基本的等幅载荷分析功能即可,例如Femfat的Basic模块。我们一般要求电池包一阶固有频率大于30Hz,只要满足这个要求,24Hz定频激励下电池包结构各点的应力响应基本都能控制在疲劳极限之下,计算出的损伤值非常接近0。
机械冲击仿真
机械冲击测试模拟车辆以较高速度通过障碍物或坑洼时电池包受到的冲击,试验装置如图3所示。
图3 机械冲击测试装置
机械冲击测试只考虑Z向载荷,正负Z向各进行6次持续时间为6ms的半正弦冲击,规定冲击加速度峰值为7g,容差上限为8.05g,下限为5.95g。
按报批稿规定,电池包在冲击试验后不发生泄漏、外壳破裂、起火或爆炸即算合格。实际上这种冲击工况发生后,用户有很大可能性不更换电池包而是继续使用,所以考察标准应适当加严,应要求电池包在冲击试验后无破损和可见变形、系统功能正常,内部结构无损坏,无安全隐患。对于仿真分析,建议目标值设置为壳体材料等效塑性应变<0.2A,其中A为断后延伸率。
机械冲击仿真分析比较简单,采用Ls-dyna等显式有限元软件,将电池包有限元模型约束到一刚性体上,在刚性体上施加加速度波形即可。
机械冲击试验要求的加速度峰值为7g,即使按照容差上限,最大也不超过8.05G,但实际车辆在冲击路沿、高速过坎、通过深坑时,即使有悬架缓冲,电池包的加速度峰值也经常会超过十几个g。所以建议测试和仿真都将冲击载荷适当放大,采用峰值20g持续时间为6ms的半正弦加速度波形。如图4所示。
图4 报批稿规定的冲击波形和本文建议波形
模拟碰撞仿真
模拟碰撞测试用来再现整车发生正面、后面或侧面高速碰撞时电池包的响应,试验装置如图5。电池包安装在台车上,分别施加X向和Y向的脉冲。
图5 模拟碰撞测试装置
高速碰撞发生后,车辆需要报废或者大修,电池包需要更换或者全面检查维修。所以不要求模拟碰撞试验后电池包功能正常,只要不发生电解液或冷却液泄漏、外壳破裂、起火或爆炸即可。
仿真分析也只要求电池壳体结构不发生破裂,建议目标值设置为壳体材料等效塑性应变<0.8A ,其中A为材料断后延伸率。
模拟碰撞仿真与机械冲击仿真类似,也是采用Ls-dyna等显式有限元软件,将电池包模型约束到一个代表台车的刚性体上,然后施加加速度载荷。因为台车正碰和侧碰试验都要求用同一个试验对象,所以仿真时也要在同一次分析里先后施加X和Y向加速度载荷。
报批稿规定,X向载荷最大值为28g,Y向载荷最大值为15g,如图6所示。但整车在进行50公里正碰和64公里偏置碰试验时,电池包等效加速度一般在35g 以上;在进行50公里侧碰试验时,电池包等效加速度一般在25g以上。所以建议测试和仿真时将加速度波形放大,X向加速度提升至38g,Y向加速度提升至28g。
图6 报批稿规定的模拟碰撞试验波形和建议波形
挤压仿真