2022年，中国新能源汽车市场呈现出强劲的增长态势，全年销量飙升至688.7万辆，同比增长率高达93.4%，从而占据了市场总量的25.6%。在这一背景下，作为新能源车辆尤其是纯电动车辆心脏的动力电池，其市场需求也同步飙升。
据统计，2022年全年，我国动力电池的累计装车量达到了294.6GWh，同比增长90.7%。值得注意的是，在纯电动汽车中，电池包系统占据了整车重量的20%以上，且研究表明，若纯电动汽车重量降低10%，其续航里程将增加约6%。
因此，在电动汽车市场迅猛发展的当下，如何有效减轻动力电池包的重量，成为了汽车工程领域的关键议题。动力电池系统中的电池壳，由于其占总重量的约20-30%，且作为主要结构件，其轻量化改进显得尤为重要。在保障电池系统及其所搭载车辆整体安全的前提下，电池壳的轻量化已成为电池系统升级优化的主要方向之一。
在材料选择上，复合材料以其卓越的比强度、比模量、耐疲劳性和抗断裂能力，以及相对较轻的密度，成为动力电池包降重的新选择。然而，这也对动力电池包的有限元仿真技术提出了新的挑战，要求工程师们不断创新，确保新型材料在应用中能够充分发挥其优势。
有限元仿真
基于Abaqus 材料本构的选择，并结合电池包详细结构，对电池包进行有限元模型划分，见图 6。连接部分多为胶接和螺栓连接， 螺栓连接处用的是 rbe2 连接，能较好地模拟现实螺栓的固定作用。在电池模组内部和模组与水冷板之间使用的是胶接，单元信息如表 1所示。
电池包有限元模型示意图
表1.电池包有限元模型单元信息表
静力学分析结果
结合动力电池实际路试工况确定该动力电池包静力学仿真极限工况，见表 2 所示。
表2.动力电池包静力学仿真极限工况
注：g ——重力加速度，g =9.8 m/s2 。
采用 Abaqus 对表 2 所述的全部工况进行求解，并针对不同的材料分别按照不同的评价
体系进行评价。详细的计算结果见表 3 所示。
表3.动力电池包静力学仿真极限工况结果判定
其中，上箱体的仿真结果见图 7 所示，下箱体的仿真结果见图 8 所示。
上箱体Tsai-WU理论失效系数云图
下箱体S12应力云图
模态与随机振动分析结果
模态是结构系统的固有振动特性，不仅包括频率还包括振型。电池包进行模态分析主要是确定各个零部件的 1 阶模态和整包 1 阶振动主频（电芯参与振动），以便确定电池包不会在路面激励或台架激励高能量区发生共振。Abaqus计算随机振动主要是基于模态动力学原理实现随机振动载荷产生的应力在统计学上概率分布。
对不同的材料分别按照不同的评价体系进行评价。模态的计算结果见图 9 和图 10 所示，随机振动详细的计算结果见表 4 所示。
上箱体1阶频率振型云图
整包1阶频率振型云图
表5. 动力电池包随机振动工况结果判定
由模态计算结果可知，动力电池上箱体 1 阶模态 34Hz，而整包的 1 阶主频较低在22Hz 左右，处于路面激励范围，并且在国标规定的随机振动高能量区内，有较强的共振风险。并且随机振动计算结果显示液冷板 Z 向随机振动损伤达到 6542，远远超过限值 1。主要原因是该动力电池包液冷板为电芯的主要承力结构，并且电芯采用 CTP 构架，并未形成一个刚度较大的整体结构。
液冷板随机振动损伤云图
结构改进与验证
根据有限元仿真与试验验证结果，对动力电池进行结构改进。由于动力电池液冷板为薄板结构，上下两层不超过 3mm，并且采用的 3 系铝合金具有较低的强度极限。所以应该避免液冷板结构承受过大的载荷与应力。改进措施如下：
1）单体两侧肩部增加压板，压板通过结构胶与电芯进行粘接，让电芯形成模组。
2）将密封结构胶更改为结构胶，增加硬化后的刚度，提高电池包 1 阶主频。
3）增加电芯两侧底部结构胶溢胶量，是电芯与横纵梁、边框之间形成刚性连接。
通过以上改进措施，重新计算动力电池包危险工况与模态，发现动力电池包 1 阶主频上升至 36Hz，对比原有结构的 22Hz，上升 39%，静力学危险工况与随机振动满足要求，并且通过试验验证后，全部结构件无开裂和明显变形。
此外，Abaqus软件通过其全面的仿真分析能力、精确的电池性能预测、高效的数据接口和集成、优化的设计和解决方案以及支持复杂问题的解决等特点，为新能源汽车的电池安全提供了强有力的支持。
