動力電池包抗振動安全性設(shè)計研究＊

符興鋒 李罡,2 曾維權(quán) 劉靜 楊勇

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434；2.華南理工大學(xué)，廣州 510640）

1 前言

動力電池是電動汽車最重要的零部件之一，其安全性直接影響到電動汽車的使用性能。GB/T 31467.3—2015將電池包的16項安全性測試納入強制檢測范圍。電池包的抗振動性要求是其中的重要內(nèi)容，也是電池包安全性要求中最難通過的幾項測試之一。國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，廣大學(xué)者針對電動汽車的耐振動性進行了積極的研究[1-4]，但關(guān)于電動乘用車用電池包的研究成果相對較少。本文通過有限元仿真分析結(jié)合試驗驗證的方法，研究提高純電動乘用車用動力電池包安全性的有效措施。

2 動力電池包的抗振動安全性要求

本文研究的動力電池包布置在電動汽車乘員艙下部，根據(jù)GB/T 31467.3的要求，在抗振動性測試時，需要將其安裝在振動試驗臺上，振動測試在Z軸、Y軸、X軸3個方向上依次進行。

圖1所示為本文研究的某純電動乘用車動力電池包布置位置示意。該動力電池包布置在汽車地板下，由9個安裝點固定在車身兩側(cè)的縱梁和后副車架前安裝橫梁上，因此動力電池包還需要滿足電動汽車使用的強度和剛度設(shè)計要求，此外，還需滿足IP67的防護等級要求。

圖1 動力電池包布置位置示意

動力電池包的強度和剛度分析載荷工況根據(jù)企業(yè)的實際測試數(shù)據(jù)整理為：縱向和橫向加速度均為±3g，垂直加速度為±6g的復(fù)合載荷工況，同時，安裝在整車后，還需滿足整車模態(tài)頻率大于20 Hz的要求。

3 動力電池包有限元分析計算方法

動力電池包有限元分析使用結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算方法。假設(shè)在有限元模型中，1條焊縫上存在有2個計算節(jié)點，其間距為l，應(yīng)力分別為Fy1和Fy2，沿焊縫方向單位厚度的線性力分別為fy1和fy2，則有平衡方程：

求解方程，得到節(jié)點處的線性力和線性轉(zhuǎn)矩：

式中，t為電池包鈑金厚度；mx1和mx2分別為節(jié)點處沿焊縫方向單位厚度的扭矩；Mx1和Mx2分別為節(jié)點處沿焊縫方向的節(jié)點扭矩。

應(yīng)力梯度變化不明顯的情況下，可以通過每個計算單元的線性力和線性轉(zhuǎn)矩計算出準(zhǔn)確的結(jié)果。但實際建模時，焊縫單元的形狀、尺寸和應(yīng)力梯度變化往往很大，需要考慮整個焊縫虛線通過建立聯(lián)立方程組的方式來求解焊趾單元的線性力和線性轉(zhuǎn)矩：

大量試驗數(shù)據(jù)分析表明，焊縫擴展失效過程可以分為短裂紋階段（0＜a/t＜0.1）、長裂紋階段（0.1≤a/t≤1）和斷裂階段（a/t＞1），其中，a為斷裂失效判斷系數(shù)，斷裂階段代表樣件已經(jīng)發(fā)生斷裂失效[5-6]。

4 動力電池包強度和剛度有限元分析

利用HyperMesh中的Nastran模塊建立焊點的有限元模型，建模過程中，選用多種類型的單元焊點模型來模擬點焊連接，金屬板的彈性模量E=210 GPa，密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3，焊點單元的修改采用HyperMesh中的Connector。片與片的連接方式根據(jù)單元節(jié)點的連接區(qū)域不同分為ELEMID（elem-elem）和ELPAT（patch-patch）兩種，焊接面上可以產(chǎn)生4個輔助點，輔助點構(gòu)成的四邊形面積等價于焊點截面積[7-10]。

電池包上蓋采用SMC材料，拉伸強度95 MPa，拉伸模量5 GPa，斷裂延展率1.5%，彎曲強度140 MPa，彎曲模量4.9 GPa。電池包下殼體和支撐板材料為CR340，電池包底部托架材料為HR550。電池包有限元模型如圖2所示。

圖2 電池包仿真分析有限元模型

對動力電池包進行模態(tài)強度有限元分析，振型圖如圖3所示。電池包第1階模態(tài)分析結(jié)果為25.4 Hz，滿足設(shè)計要求。

圖3 電池包模態(tài)分析振型圖

動力電池包Z向-6g垂直沖擊工況強度、剛度仿真結(jié)果分別如表2、圖4所示。由表2可知，動力電池包安裝支架最大應(yīng)力遠超過材料屈服極限，不滿足設(shè)計目標(biāo)，其他安裝點的最大應(yīng)力滿足設(shè)計目標(biāo)。由圖4可知，該工況下，電池包支架最大變形量為7.25 mm，滿足設(shè)計目標(biāo)。

表2 動力電池包強度仿真計算結(jié)果 MPa

動力電池包Z向振動耐久性仿真結(jié)果如圖5所示，后安裝梁部分Z向振動耐久性壽命低于1 h，遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的21 h，不滿足振動耐久性要求。與此類似，Y向振動相同區(qū)域耐久性壽命低于24 h，X向振動耐久性壽命高于24 h。即僅X向振動耐久性壽命仿真結(jié)果滿足要求。

圖4 電池包強度剛度分析結(jié)果

圖5 電池包Z向振動耐久性仿真結(jié)果

5 動力電池包強度和剛度有限元優(yōu)化

針對仿真分析中動力電池包支架強度不足和Z向、Y向振動耐久性壽命不足的問題，進行針對性的優(yōu)化設(shè)計。

5.1 動力電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對電池包和相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力較為集中的部分進行優(yōu)化設(shè)計，將相關(guān)焊接或安裝位置的應(yīng)力降低到屈服強度以下。

圖6所示為電池包底部托架應(yīng)力較大部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，將電池托架不連接的部分通過優(yōu)化更改結(jié)構(gòu)，連接為一個個整體零件并焊接在一起，大大降低了開裂或斷開的風(fēng)險。對于原結(jié)構(gòu)仿真分析中焊點不足容易開裂失效的部分，通過調(diào)整焊接結(jié)構(gòu)或增加焊點的降低應(yīng)力集中。

圖7所示為電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化示意，電池包內(nèi)部應(yīng)力較大、容易開裂的橫梁和縱梁結(jié)合部分增加焊接襯板，進行針對性加強，以提高抗振動耐久性強度；將原有的3根內(nèi)部縱梁延長，內(nèi)部通過三層焊接工藝將底部的支撐橫梁支架、外部縱梁焊接在一起，提高了電池包的整體剛度，并將可能受到的振動沖擊力盡可能傳遞到電池包的安裝固定點上，以減小應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中相對較高的部分改用屈服強度更高的高強度鋼。

圖6 電池包外部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

圖7 電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

5.2 動力電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真計算

將優(yōu)化后數(shù)模重新進行有限元建模，施加Z向-6g垂直沖擊工況進行分析[10-12]。

電池包最大變形量減小為4.38 mm，電池包模態(tài)頻率為26.8 Hz，最大應(yīng)力仿真結(jié)果如表3所示。在模態(tài)、最大變形量和最大應(yīng)力滿足設(shè)計要求的前提下，電池包整體抗振動安全性能有了大幅度的提升[13]。

表3 動力電池包優(yōu)化強度仿真計算結(jié)果 MPa

圖8所示為優(yōu)化設(shè)計后的電池包Z向振動耐久性仿真計算結(jié)果。由圖8可知，除電池包上、下箱體的安裝螺母和安裝支架與車身安裝孔間的抗振動性壽命較低外，電池包其他部分的局部應(yīng)力點均在a/t＜1范圍，特別是優(yōu)化前易失效的位置強度均有明顯改善，基本滿足抗振動性壽命要求。

圖9所示為與動力電池包安裝相關(guān)的車身支架焊點結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的仿真分析計算結(jié)果，結(jié)果表明，優(yōu)化后的車身安裝支架應(yīng)力明顯降低，焊點位置抗振動性分析為a/t＞1，滿足抗振動壽命要求。對于圖8中部分螺栓和螺母位置存在可能不滿足抗振動性壽命要求的現(xiàn)象，綜合相關(guān)試驗和仿真結(jié)果可知，螺栓安裝位置的應(yīng)力仿真計算結(jié)果存在一定偏差，在類似電池包的抗振動性試驗中失效位置實際測試的結(jié)果均未出現(xiàn)失效情況，因此可以預(yù)估電池包優(yōu)化后的抗振動性壽命滿足設(shè)計要求。

圖9 優(yōu)化焊點結(jié)構(gòu)部分仿真結(jié)果

6 試驗

根據(jù)試驗的要求將電池包模擬整車使用環(huán)境，制作相應(yīng)的電池包安裝夾具將其安裝在振動試驗臺上進行試驗。

圖10所示為優(yōu)化前、后Z向振動試驗箱體情況。優(yōu)化前，電池包加載約1 h即出現(xiàn)開裂，開裂位置與仿真分析結(jié)果類似，側(cè)面說明了仿真分析結(jié)果的可靠性。優(yōu)化后，電池包外部箱體雖有部分變形，但未發(fā)生破裂、漏液、電池起火和爆炸等現(xiàn)象，靜置2 h后絕緣檢測的結(jié)果正常。

圖10 優(yōu)化設(shè)計前、后Z向振動試驗箱體

綜上所述，優(yōu)化后的動力電池包抗振動安全性明顯改善。

7 結(jié)束語

本文針對某款動力電池包，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，對抗振動安全性進行了研究，建立動力電池包的仿真分析模型，進行了有限元仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果開展動力電池包的優(yōu)化設(shè)計，并進行了試驗驗證。

試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后動力電池包具有良好的抗振動安全性，有限元分析結(jié)合試驗驗證有效提高了分析效率。

參考文獻

[1]李德勇.缺口件振動疲勞壽命分析的名義應(yīng)力法[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[2]徐龍.基于極限工況載荷的車身靜態(tài)強度分析及優(yōu)化設(shè)計[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

[3]謝先宇.新能源汽車用動力電池系統(tǒng)振動試驗研究[J].上海汽車，2014（5）：2-6.

[4]蘇陽.電動車電池包振動疲勞分析[J].汽車實用技術(shù)，2016（2）：109-110.

[5]張勝俊.轎車車身結(jié)構(gòu)振動特性研究與設(shè)計優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[6]曾慶洋.商用車駕駛室白車身焊點布置及疲勞壽命分析[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

[7]張鑫，馬茲林，冒曉建，等.混合動力車用蓄電池管理系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].車用發(fā)動機，2010（6）：46-49.

[8]Palmonella M,Friswell M I,Mottershead J E,et al.Guide?lines for the Implementation of the CWELD and ACM2 Spot Weld Models in Structural Dynamics[J].Finite Elements in Analysis&Design,2005,41(2):193-210.

[9]楊然，陳君毅，王宏雁.點焊連接的有限元建模方法研究[J].汽車工程學(xué)報，2011，1（6）：448-454.

[10]宋海生，史文庫，龍巖，等.整車模態(tài)分析中焊點模擬方法的研究[J].2011，33（11）：321-323.

[11]符興鋒，周斯加，龍江啟.電動車動力電池安全管理研究及實車驗證[J].汽車技術(shù)，2013，（9）：40-45.

[12]符興鋒，周斯加，趙小坤，等.插入式混合動力電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究[J].車用發(fā)動機，2013（5）：1-7.

[13]裴鋒，符興鋒.基于風(fēng)冷模式的18650動力電池系統(tǒng)安全性設(shè)計研究[J].汽車技術(shù)，2015（8）：48-53+58.