新能源汽車BDU振動性能分析

任凱，陳建建，肖杰，王立成，項光遠

(1. 南京勝捷電機制造有限公司 江蘇 南京 211200； 2. 國網江蘇省電力有限公司 宿遷供電分公司 江蘇 宿遷 223800)

0 引言

為了解決我國能源問題，新能源汽車的發展相當重要。新能源汽車在行駛過程中，振動現象是十分普遍的，由于振動是非線性和非連續性，所以對振動的理論計算相當困難[1-3]。本文采用理論與ANSYS有限元仿真相結合的辦法對新能源汽車的電池管理系統中BDU進行隨機振動分析[4-6]。

1 BDU總成介紹

BDU(battery disconnect unit)作為新能源汽車的動力電池切斷單元，在電動汽車的電池組件中的作用相當重要，其背部的高壓接插件與電源直接相連接，控制電源輸入與輸出。其內部主要由繼電器、銅牌、PCB板等電氣元件組成，裝配精度比較高[7-8]。

2 隨機振動的基本原理

系統動力學基本方程：

(1)

(2)

(3)

其中，ω1和ω2為基礎加速度隨機激勵的起始角頻率和終止角頻率。進行隨機振動分析需要的輸入是：從模態分析中得到的固有頻率和振型，作用于節點上的[9-11]。

3 BDU的隨機振動有限元分析

3.1 BDU有限元模型

為了減少計算量，需要對BDU有限元模型進行簡化。對關鍵部位要細化，影響機械性能的圓角等不能舍棄，其他部位可以粗畫，即把圓角都拐彎抹角的特征都刪掉。但為了同時保證精度，必須滿足平衡條件、變形協調條件、剛度等價、根據結構特點選取單元使其很好地反映結構的傳力特點、盡可能地貼近實體模型等原則，對繼電器、PCB板上零部件以及螺栓做簡化，鋁殼的簡化結果為6個螺栓孔。模型簡化后，導入有限元分析軟件中，進行網格劃分BDU三維簡化圖形如圖1所示。

圖1 BDU簡化模型(內部)

3.2 邊界條件

對于唯一模式的有限元法，在結構的邊界上必須嚴格滿足已知的位移約束條件。對連接件的邊界條件設置主要在接觸上面，螺栓為固定接觸，且螺栓的預緊力和螺栓轉矩按照螺栓預緊力標準并強度等級為8.8選取，此外還需再加上系統本身的重力因素。

3.3 模態分析

對BDU做振動分析之前，先對其進行模態分析。模態分析的主要作用是確定鋼體的固有頻率和振型，這些都是由鋼體的結構幾何形狀、材料的特征屬性以及約束形式決定的，外載荷對其無影響。本文提取前6階模態，其中一階振型沿X方向，二階沿Y方向，三階沿3個方面，四階沿2個方向等，在不同方向分別對應的頻率表如圖2所示。

圖2 模態分析結果

3.4 隨機振動分析

在模態分析之后，分析結果導入振動模塊中，對其施加不同頻率下各個軸的功率密度譜如表1所示，求解如圖3至圖6所示。

表1 功率密度譜

圖3 應變云圖(內部)

圖4 應變云圖(外部)

圖5 應力云圖(外部)

圖6 應力云圖(內部)

鋁殼簡化為6個固定端之后，對其進行邊界條件設置，基于模態分析的基礎上，對BDU添加5Hz、22Hz、140Hz的頻率下不同功率密度，得出振動后的應力和應變圖，在圖3中可以看出，最大應變在PCB板下側，沿Y方向應變量為0.281 7mm，PCB板的形變率為0.2%。根據ISO，PC材料屈服極限為6%，因此滿足應變要求。最大應力在下殼體中間和上方兩側邊沿出的螺栓處，應力值為8.97Pa，在IOS527-2標準中，23°時的強度極限為100MPa，安全系數遠大于3。綜上，在振動后，不會出現損壞和開裂現象，滿足汽車一般塑料件設計標準(QCn 29017)。

4 結語

1) 根據圖2和表1可知，BDU的前6階固有頻率與振動試驗中采用的功率譜密度中的其中一個比較接近，這個對結構的振動性能具有一定的不利。

2) 計算與分析證明了BDU的隨機振動結果是滿足產品要求的。

3) 確定了隨機振動時系統的薄弱位置，并對薄弱位置的應力和應變進行計算，對考核BDU在耐久振動下的壽命具有參考作用。

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