基于CAE技術的新能源儲能電池箱結構強度研究*

徐 珂，張繼陽，王英姿

(1.河南工學院 工程技術教育中心，河南 新鄉453003；2.河南工學院 電氣工程與自動化學院，河南 新鄉453003)

0 引言

在國家政策的強力推動下，我國的可再生能源開發利用規模持續擴大，風能、太陽能等新能源的發展已成為推動能源轉型的重要措施和實現“碳中和”的重要途徑。這些新能源廣泛用于發電系統中，所占比例逐年增加，帶來了巨大的經濟和社會效益，但同時其自身所固有的隨機性、間歇性和波動性等特征，對電力系統的安全、穩定和可靠運行產生了嚴重影響[1]。

將規模化的電池儲能技術應用于新能源發電領域，能夠增強新能源發電的可控性，改善電能質量，保障應急供電，有效提高電力系統安全穩定運行水平。這種儲能是通過將多個鋰電池單元通過串聯或并聯的方式集成在電池箱內實現的，但由于鋰電池的安全性問題和鋰電池系統易受工藝、環境溫度等因素影響，所以對存放鋰電池的電池箱的結構可靠性有嚴格的要求[2-3]。本文提出一種基于CAE建模仿真的方法，結合實際工況，對新能源儲能電池箱的結構進行仿真分析，以設計得到高結構強度的電池箱，保證新能源儲能裝置的安全性和可靠性。

1 新能源儲能電池箱模型化及網格劃分

本文采用Pro/E三維軟件繪制新能源儲能電池箱的三維模型，隱藏了電池單元和電池管理系統的三維模型圖如圖1所示。

圖1 新能源儲能電池箱三維模型

在長時間靜置或運輸環節中，儲能系統的電池箱可能出現斷裂或者由于震動造成內部電池短路，所以為了提高電池箱的結構強度，將在傳統設計的基礎上，引入有限元建模，實現結構化網格劃分[4]。

通常，在小變形量的靜態工況下，各向同性的材料僅需要考慮利用彈性模量、密度和泊松比這三項基本參數進行模擬分析。但在可能出現的極端工況下，由于結構會發生較大變形，甚至超出材料的彈性范圍，進入塑性屈服階段，故應在模型中引入塑性階段的應力應變關系，以更好地模擬結構的真實變形情況[5]。計算公式如下:

其中：

式中：m1和m2表示彈性變率，σys為屈服應力，σuts為強度極限。

儲能箱的箱體為Q235B材質，箱蓋為鋁錳合金材質，總質量為40kg。其中各部件材質、彈性模量、密度、泊松比、屈服極限和強度極限參數詳見表1。方程中曲線擬合指數和彈性應變率分別取值0.068和2.0×10-5，其余參數選用默認值。

表1 儲能箱所用材料性能參數

在簡化計算模型時，盡量使參數模型和實際設計模型一致。根據實際工況，在箱體模型上添加質量為300kg的電池模組，受力面為箱體的下底面與側面，下底面主要受到重力載荷，側面主要受到沖擊載荷。儲能電池箱通過CAE軟件設定相應的分析方向，X軸為長度方向，Y軸為寬度方向，Z軸為上下方向。

由于電池箱的結構相對較為規則，因此利用ANSYS模塊中的meshing網格劃分工具進行網格劃分，如圖2所示，網格的類型是結構化網格。

圖2 劃分網格圖

2 基于CAE技術的電池箱仿真分析及優化

2.1 電池箱的約束模態分析

通過 Optistruct 模塊下的載荷集 Load Collector，定義模型的模態 EIGRL 參數，在忽略阻尼障礙的基礎上，設置掃描頻率為 0～300Hz。根據模型模態分析原理，階數較低的模態對電池箱體的結構影響突出，因而抽取前二十六階固有頻率做數據對比。在 SUBCASE 中調用模態參數EIGRL 和約束參數SPC，求解約束模態。電池箱前二十六階約束模態的固有頻率如圖3所示。

圖3 約束狀態固有頻率

由于一階約束模態振動強度較低，在此狀態下箱蓋受影響較大，主要表現為箱蓋中心位置在YZ平面內沿X 軸正方向的一階垂向變化，如圖4所示。而二十六階約束模態振動強度較大，整個電池箱受振動變形較大，主要表現為箱底橫梁局部受力較大，發生明顯的焊點脫落，箱蓋呈現多處沿X軸正方向的變形，如圖5所示。

圖4 一階振型云圖

圖5 二十六階振型云圖

由電池箱的約束模態分析可以發現電池箱容易振動的位置強度不足，對比約束模態的前二十六階振型可以看出，前十階振型均為箱蓋的不同形式的上下振動，變形形式為蓋體的彎曲變形。隨著振型階數升高，箱體底面和箱蓋發生共振，故箱蓋局部強度嚴重不足，建議增加加強筋的數量；箱體底板制造加工工藝需要改進，應由原平板焊接設計改為邊緣進行折彎處理，并在下部焊接加強筋，這樣既能夠提高箱體的穩定性，也可以增加箱體的防水性。

2.2 電池箱的隨機振動分析

電池箱在使用過程中，會受到工作環境的影響，要適應不同的振動強度，因此，需要對電池箱進行振動強度的有限元分析。

模擬振動采用國家標準GB/T 31467.3—2015，按實際模型擺放位置加載載荷。首先規定模型中X、Y、Z的方向，接著對任意兩個方向的平動自由度進行約束，然后在第三方向上施加與加速度載荷等效的力載荷，最后通過模態疊加，快速得到在第三個方向上的各種頻率組合下的隨機振動響應。

X方向振動時，電池箱在50Hz頻率激勵下的應力分布如圖6所示。由圖6可知，此時最大響應為167MPa，最大應力區域出現在箱底部的螺紋孔和箱側壁固定板焊接處。此區域是強度薄弱部位，也是電池承載和固定的關鍵部位，故應采取增加厚度和焊點數量的方式予以加強。

圖6 電池箱在50Hz的X方向應力分布圖

Y方向振動時，電池箱在90Hz頻率激勵下的應力分布如圖7所示。由圖7可知，此時最大響應為170MPa，最大應力區域出現在底部固定孔和側壁橫梁固定板處。此區域是強度薄弱位置，故應增加底部固定螺絲的焊點數量和加大固定板的鋼板厚度。

圖7 電池箱在90Hz的Y方向應力分布圖

Z方向振動時，電池箱在95Hz頻率激勵下的應力分布如圖8所示。由圖8可知，此時最大響應為212MPa，最大應力區域出現在側壁的加強筋和底部的固定梁上。此區域是強度薄弱位置，故應加大加強筋的鋼材厚度和增加固定梁的焊點數量。

圖8 電池箱在95Hz的Z方向應力分布圖

根據儲能電池箱約束模態分析和振動分析，得出在多種頻率下電池箱的受力和振動情況：電池箱蓋受振動影響較大，出現變形的情況最多；電池箱體的側壁加強筋和底部的螺紋孔處的動力學應力響應最為明顯。仿真結果顯示，調整電池箱的結構形狀能夠很好地解決這些問題：在儲能電池箱的箱蓋增加加強筋的數量以提升箱蓋局部強度；在儲能電池箱的箱體中增大加強筋的厚度以增加強度，優化各零部件焊接的精度、強度和焊點數量，能夠減小應力響應。

3 結語

本文應用CAE對新能源儲能電池箱結構進行了模型化分析，根據仿真分析結果提出了滿足實際工況需求的結構。采用CAE技術和實際模型相結合獲得滿足性能要求的最優結構的方法，能夠提高設計的準確性，縮短產品開發周期,提高新能源儲能裝置的安全性和可靠性。