某電動汽車動力電池箱隨機振動仿真與試驗

章麗，鄒湘，匡紹龍

（1.蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.江蘇興云新能源有限公司，江蘇 無錫 214200）

動力電池是新能源汽車“三電”系統(tǒng)的核心組成部分，動力電池的使用安全直接影響著整車的性能安全和使用壽命。其中，結(jié)構(gòu)安全和電氣安全構(gòu)成了動力電池安全的兩個重要方向，而結(jié)構(gòu)強度是保證結(jié)構(gòu)安全的首要保障。為保證動力電池工作狀態(tài)下的安全性和可靠性，對動力電池系統(tǒng)進行振動分析測試具有非常重要的意義。由于動力電池的內(nèi)部模組結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且車輛行駛工況的存在多樣化和不確定性等特點，對其進行相關(guān)道路測試需要消耗大量的人工和時間成本等，因此，利用傳統(tǒng)的試驗方法對車載動力電池進行結(jié)構(gòu)強度測試比較困難，而借助有限單元方法（FEM），通過計算機仿真模擬的手段，可以得到和真實情況相近的結(jié)果。

本文針對一種應(yīng)用于新能源汽車的車載動力電池箱，基于有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH 對其結(jié)構(gòu)強度進行隨機振動仿真分析，研究該電池箱能否滿足規(guī)范的運行要求，進而對該電池箱體進行振動試驗，對仿真結(jié)果進行驗證和分析。

1 電池箱體有限元模型的建立

使用SOLIDWORK 建立該車載動力電池箱三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其長×寬×高尺寸為：990mm×570mm×243mm，該電池由上殼體、下殼體、外部支架、內(nèi)部支架、插件轉(zhuǎn)接鋁板、MSD以及箱體內(nèi)部的電池模組、BMS等部分構(gòu)成。

在滿足計算精度的前提下，對該車載動力電池箱作如下簡化：通過Space Claim完成對箱體的幾何修復(fù)和中面抽取，對箱內(nèi)的錳酸鋰電池模組通過質(zhì)量點的方法施加到箱體中，電池箱體與其支架構(gòu)件的焊接采用點焊模擬，見圖2。

圖1 車載動力電池箱結(jié)構(gòu)外形

為動力電池箱的箱體和電池模組單元賦予材料屬性，完成前處理設(shè)置。電池箱整體劃分為239738個單元，所建立的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 電池箱體有限元模型

圖3 電池箱全網(wǎng)格模型

2 電池箱模態(tài)分析

進行隨機振動前，首先要得到電池箱體的模態(tài)，本文中模態(tài)提取方法選擇Block Lanczos法，此方法計算精確，收斂性較快，在工程應(yīng)用中常用此法來提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)。結(jié)構(gòu)的振動是由各階固有振型線性組合而成，其中，在整個模態(tài)分布中占主要地位的是低階模態(tài)，而高階模態(tài)對整個結(jié)構(gòu)的響應(yīng)貢獻很小，因此本文僅考慮低階模態(tài)的頻率和振型，對高階模態(tài)忽略不計。

進入ANSYS WORKBENCH 求解器，進行模態(tài)（Modal）分析，首先，計算電池箱的固有頻率和振型。所得的前6階低階固有頻率如表1所示。

表1 電池箱前六階模態(tài)固有頻率

3 隨機振動分析

3.1 PSD 載荷設(shè)定

在ANSYS 環(huán)境中，依據(jù)模態(tài)分析所得參與因子進行電池箱的隨機振動分析。載荷設(shè)定如下：在電池箱底座的固定孔處施加Z向的激勵，以遞減的加速度對電池垂直方向進行掃頻，頻率范圍為7～50Hz，頻譜關(guān)系依據(jù)GB/T 31467.3《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)：第3 部分安全性要求與測試方法》進行轉(zhuǎn)化，激勵譜如表2所示。

表2 頻率和加速度

3.2 求解器計算結(jié)果

基于前述的激勵和邊界條件設(shè)定，通過ANSYS求解器對模型進行計算。對該電池箱而言，我們主要關(guān)心箱體的位移幅值、底座的應(yīng)力峰值，進而由計算結(jié)果推斷可能發(fā)生疲勞破壞的危險位置。計算所得振動工況下箱體的應(yīng)力云圖、變形云圖，如圖4、圖5所示。

圖4 電池pack應(yīng)力云圖

圖5 電池pack變形云圖

從圖中可以看出振動過程中最大變形為12.88mm，電池箱體整體應(yīng)力分布水平較低，結(jié)果滿足實際使用要求。

4 動力電池振動試驗

將電池動力系統(tǒng)按照實際裝車的方式通過工裝固定于電動振動臺。按照隨機振動工況自功率譜密度控制試驗系統(tǒng)電機對振動臺進行激勵，從而將激勵傳遞到整個電池箱體進行振動。按照試驗測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分別在電池箱體工裝底座、部分關(guān)心區(qū)域等位置粘貼加速度傳感器。圖6為振動臺上的試驗箱體，圖7為試驗時功率譜的控制曲線具體參數(shù)。

圖6 振動臺上的電池箱體

圖7 功率譜密度曲線

電池箱體振動試驗完成后，對電池箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢查測試。通過檢查電池模組等結(jié)構(gòu)件情況發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部零部件無變形、無損傷等異?，F(xiàn)象，該振動測試通過。因此，從試驗結(jié)果可推斷，基于仿真分析可保證電池箱體可以通過規(guī)定工況的隨機振動試驗。

5 結(jié)語

本文主要闡述了對某電動汽車動力電池總成進行隨機振動工況的仿真與試驗方法。采用有限元仿真的方法對動力電池總成進行了隨機振動工況的計算分析，得到該動力電池在隨機振動工況下應(yīng)力幅值響應(yīng)的結(jié)果。最后通過試驗對仿真結(jié)果進行了驗證，通過整個過程可得出基于仿真分析的隨機振動工況下動力電池強度評估標(biāo)準(zhǔn)。

[1]李小尹，陳凱，董成坤，李敬磊.一種車載動力電池箱的結(jié)構(gòu)強度與振動分析[J].內(nèi)燃機與配件，2017.

[2]鄒湘，陳鑫祎，葛雙喜，等.320t造船門式起重機剛度和模態(tài)分析[J].機械工程與自動化，2017（5）：98-99.