动力电池系统机械性能CAE分析规范
Armand教授是锂离子电池的奠基人之一，是国际学术和产业界公认的、在电池领域具有原始创新成果的电池专家。Armand教授主要原创性学术贡献有：
1.1977年，首次发现并提出石墨嵌锂化合物作为二次电池的电极材料。在此基础上，于1980年首次提出“摇椅式电池”（Rocking
Chair Batteries）概念，成功解决了锂负极材料的安全性问题。
2.1978年，首次提出了高分子固体电解质应用于锂电池。
3.1996年，提出离子液体电解质材料应用于染料敏化太阳能电池。
4.提出了碳包覆解决磷酸铁锂（LiFePO4）正极材料的导电性问题，为动力电池及电动汽车的产业化奠定了基础。
1990年日本SONY公司正式推出LiCoO2/石墨这种锂离子电池，该电池成功的利用能可逆脱嵌锂的碳材料替代金属锂作为负极，克服了锂二次电池循环寿命低、安全性差的缺点，锂离子电池得以商品化。标志着电池工业的一次革命。
[1]Nagaura, T. &Tozawa, K.
Lithium ion rechargeable battery.
Prog. Batteries Solar Cells 9, 209 (1990)
[2]专利号: JP4147573-A ; JP3028582-B2 ; US5370710-A
发明人: KATO H, NAGAURA T
专利权人和代码:SONY CORP(SONY-C)
[3]专利号: EP486950-A ; EP486950-A1 ; CA2055305-A ; JP4184872-A ; JP4280082-A ;US5292601-A ; EP486950-B1 ; DE69103384-E ; JP3079613-B2 ; JP3089662-B2 ;JP2000268864-A ; CA2055305-C ; JP3356157-B2发明人: SUGENO N, ANZAI M, NAGAURA T专利权人和代码:SONY CORP(SONY-C)
[4]专利号: JP5036413-A ; JP3282189-B2 ; US5273842-A发明人: NAGAURA T, YAMAHIRA T专利权人和代码:SONY CORP(SONY-C)
镍镉电池 | 镍氢电池 | 铅酸电池 | 锂离子 电池 | 聚合物锂离子电池 | |
重量能量密度 （Wh/kg） | 45-80 | 60-120 | 30-50 | 110-160 | 100-130 |
循环寿命 （至初始容量80%） | 1500 | 300-500 | 200-300 | 500-2000 | 300-500 |
单体额定电压(V) | 1.25 | 1.25 | 2 | 3.6 | 3.6 |
过充承受能力 | 中等 | 低 | 高 | 非常低 | 低 |
月自放电率 （室温） | 20% | 30% | 5% | 10% | ～10% |
锂离子电池工作原理
1电池包模态分析
1.1数据准备
进行电池包模态分析之前，需提前准备如下数据：
表1 数据输入表
序号 | 数据名称 | 数据格式 | 单位 | 备注 |
1 | 电池系统BOM | excel | | |
2 | 电池系统数模 | stp | mm | |
3 | 电池系统各零部件材料基础力学性能 | 弹性模量、密度、泊松比、 | | |
1.2 约束载荷
电池包固定点进行全约束。
1.3 结果评价
输出电池包前六阶模态结果（含动画），电池包一阶模态大于30HZ。
2电池包振动疲劳分析
2.1数据准备
进行频域法电池包振动疲劳分析之前，需提前准备如下数据：
表2 数据输入表
序号 | 数据名称 | 频率范围Hz | 数据格式 | 备注 |
1 | 模态分析结果 | 5-200 | Op2 | |
2 | X向激励频响结果 | 5-200 | Op2 | |
3 | Y向激励频响结果 | 5-200 | Op2 | |
4 | Z向激励频响结果 | 5-200 | Op2 | |
5 | 电池包各部件材料参数 | | 弹性模量、密度、泊松比、屈服强度、抗拉强度，S-N曲线 | |
2.2 约束载荷
电池包Z、X、Y三个方向的PSD值见表3所示，三个方向各振动13h。
表3Z、Y、X方向PSD
频率 | Z轴功率谱密度 （PSD）g²/Hz | Y轴功率谱密度 （PSD）g²/Hz | X轴功率谱密度 （PSD）g²/Hz |
Hz | |||
5 | 0.025 | 0.01 | 0.002 |
15 | 0.05 | 0.018 | 0.03 |
20 | 0.01 | 0.006 | -- |
25 | -- | -- | 0.01 |
100 | 0.002 | 0.0004 | 0.0005 |
200 | 0.0002 | 0.00004 | 0.00008 |
RMS | 0.95 | 0.57 | 0.7 |
时间 | 13h | 13h | 13h |
2.3振动疲劳计算流程
建议采用图1中的分析流程图进行分析，推荐疲劳分析软件为Ncode，材料疲劳曲线建议采用实测曲线。
2.4 结果评价
要求电池包Z、X、Y三个方向的总损伤值小于1。
3电池包强度分析流程
3.1数据准备
进行电池包强度分析之前，需提前准备如下数据：
表4 数据输入表
序号 | 数据名称 | 数据格式 | 单位 | 备注 |
1 | 电池系统BOM | excel | | |
2 | 电池系统数模 | stp | mm | |
3 | 电池系统各零部件材料基础力学性能 | 弹性模量、密度、泊松比、应力应变曲线 | | |
3.2 约束载荷
电池包固定点进行全约束。
3.3 计算工况
电池包强度计算工况见下表所示，若电池包左右对称，可计算一半工况。
表5工况设置表
序号 | 分析工况 | 载荷 | 工况类型 | ||
X | Y | Z | |||
1 | 8km/h前撞 | -11 | | -1 | 极限工况 |
2 | 8km/h后撞 | 11 | | -1 | 极限工况 |
3 | 5g向上 | | | 4 | 极限工况 |
4 | 5g向下 | | | -6 | 极限工况 |
5 | 3g向左 | | -3 | -1 | 极限工况 |
6 | 3g向右 | | 3 | -1 | 极限工况 |
7 | 5g向上&3g向左 | | -3 | 4 | 极限工况 |
8 | 5g向上&3g向右 | | 3 | 4 | 极限工况 |
9 | 5g向下&3g向左 | | -3 | -6 | 极限工况 |
10 | 5g向下&3g向右 | | 3 | -6 | 极限工况 |
11 | 3.5g向上 | | | 2.5 | 典型工况 |
12 | 3.5g向下 | | | -4.5 | 典型工况 |
13 | 3g向前 | 3 | | -1 | 典型工况 |
14 | 3g向后 | -3 | | -1 | 典型工况 |
3.4 结果评价
电池包典型工况最大应力不超过材料的屈服强度，电池包极限工况最大应力不超过材料的抗拉强度。
4模组膨胀强度分析流程
4.1数据准备
进行模组膨胀强度分析之前，需提前准备如下数据：
表6 数据输入表
序号 | 数据名称 | 数据格式 | 单位 | 备注 |
1 | 电池模组BOM | excel | | |
2 | 电池模组数模 | stp | mm | |
3 | 电池模组各零部件材料基础力学性能 | 弹性模量、密度、泊松比、应力应变曲线 | | |
4.2 约束载荷
模组固定点进行全约束，在电芯膨胀方向施加25kN载荷。
4.3 结果评价
模组端板、侧板及端板和侧板焊缝位置处最大应力不超过材料的屈服强度。
5电池包固定点预紧力分析流程
5.1数据准备
进行电池包（箱体为挤压型材）固定点预紧力分析之前，需提前准备如下数据：
表7 数据输入表
序号 | 数据名称 | 数据格式 | 单位 | 备注 |
1 | 电池包BOM | excel | | |
2 | 电池包数模 | stp | mm | |
3 | 电池包各零部件材料基础力学性能 | 弹性模量、密度、泊松比、应力应变曲线 | | |
5.2 约束载荷
预紧力的确定可参考如下公式：
预紧力矩 Mt=K×P0×d×0.001 N.m，K:拧紧力系数， d：螺纹公称直径。P0：预紧力。K值可以根据表8进行确定。
表8 预紧力计算表
5.3 结果评价
要求固定点处的最大应力不能超过所用材料的屈服强度，并根据实际使用情况取1.5-2倍的安全系数。
6电池包挤压分析流程
6.1数据准备
进行电池包挤压分析之前，需提前准备如下数据：
表9 数据输入表
序号 | 数据名称 | 数据格式 | 单位 | 备注 |
1 | 电池包BOM | excel | | |
2 | 电池包数模 | stp | mm | |
3 | 电池包各零部件材料基础力学性能 | 弹性模量、密度、泊松比、应力应变曲线 | | |
6.2 约束载荷
挤压头为半径75mm，长度小于1000mm的半圆柱体，挤压位置选择电池包最弱点，挤压头需纵置挤压。
6.3 计算工况
电池包需进行X、Y两个方向的挤压。
6.4 结果评价
挤压反作用力达到100kN时，箱体未和模组发生接触，箱体和挤压头、刚性墙接触位置允许小范围区域的塑性应变超过材料的延伸率。
7电池包冲击分析流程
7.1数据准备
进行电池包冲击分析之前，需提前准备如下数据：
表10 数据输入表
序号 | 数据名称 | 数据格式 | 单位 | 备注 |
1 | 电池包BOM | excel | | |
2 | 电池包数模 | stp | mm | |
3 | 电池包各零部件材料基础力学性能 | 弹性模量、密度、泊松比、应力应变曲线 | | |
7.2 约束载荷
电池包固定点进行全约束。
7.3 计算工况
电池包需进行X、Y、Z三个方向冲击。脉冲曲线见表14所示。
表11 冲击脉冲输入表
冲击轴向 | 冲击波形式 | 冲击加速度 | 脉宽 | 冲击次数 |
Z | 半正弦波 | 20g | 6ms | 正负各3次，共18次 |
X | 15g | |||
Y | 8g |
7.4 结果评价
电池包进行X、Y、Z三个方向冲击后，累积塑性应变不超过材料的延伸率。
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