基于磷酸鐵鋰電池的電力儲能抗震機柜模態(tài)分析

徐輝，李煒

（1.河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038；2.中航鋰電（洛陽）有限公司，河南 洛陽 471009）

0 引言

伴隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)路技術(shù)的快速發(fā)展，基于智能控制的微電網(wǎng)電力控制技術(shù)的發(fā)展需求變得越來越迫切，而電力儲能技術(shù)是智能微電網(wǎng)技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)。電力儲能機柜作為電力儲能技術(shù)的核心，在智能微電網(wǎng)的建設中很關(guān)鍵，因為在系統(tǒng)建設時，電力設施和裝備均通過電力儲能機柜進行布置。電力儲能技術(shù)在智能微電網(wǎng)中的作用主要有3點：1）協(xié)調(diào)整個電網(wǎng)的負荷水平，起到削峰填谷的作用；2）與無功補償設備相結(jié)合，改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量；3）輔助可再生能源發(fā)電技術(shù)，獲得穩(wěn)定的電力輸出。特別是邊遠地區(qū)及孤立的海島等特殊地區(qū)，它們擁有獨立的風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)，不與整個電網(wǎng)連接，電力儲能設備是其正常使用的關(guān)鍵。

電力儲能設備一般是通過機柜來進行安裝的，單臺儲能機柜的質(zhì)量為1.3 t左右。而電力儲能機柜的安裝地一般是在邊遠地區(qū)或者海島地域，這些地域環(huán)境條件相對比較復雜，運輸過程非常艱難。除此之外，還要考慮其使用地區(qū)的抗震等級（一般均要求抗震等級在7級烈度以上），避免出現(xiàn)因抗震等級不夠?qū)﹄娏δ茉O備造成破壞。這就要求電力儲能機柜在提吊、運輸、安裝、拆卸及抗震抗沖擊時，擁有足夠的靜載和動載負荷下的承受能力，這將直接影響電力儲能設備產(chǎn)品順利交付和隨后的安全使用。

1 現(xiàn)有機柜調(diào)研分析

當前，在國內(nèi)電力儲能機柜仍處于示范階段，尤其是專門針對重載、抗震型電力儲能機柜的開發(fā)就更少了。通常情況下，一般選用電力行業(yè)中較為常用的機柜類型：C形型材機柜、9折型材機柜和16折型材機柜等。但這幾類儲能機柜的承載能力一般都不大于1 t，如果使用環(huán)境的抗震要求在8級烈度以上，那么這幾類機柜的抗震能力就不夠[1]。表1所示是電力行業(yè)中常用的幾種機柜主型材的參數(shù)分析表，其中的15折型材為本文所采用的機柜主型材參數(shù)[2]。

表1 幾種機柜型材對比表

2 電力儲能機柜的固有特性分析

本文采用一種新研發(fā)的15折機柜立柱型材，部分折處為雙層結(jié)構(gòu)、兩邊拍平結(jié)構(gòu)和兩層折疊結(jié)構(gòu)。該立柱型材充分考慮了儲能機柜的承載要求、使用環(huán)境及運輸條件，開發(fā)出滿足電力儲能設備要求的重載型機柜，其具有質(zhì)量輕、強度高、電氣安裝維修方便、使用范圍寬等特點。機柜尺寸為1200 mm×800 mm×2200 mm，機柜主立柱的截面形狀如圖1所示。

圖1 機柜主立柱型材截面形狀

側(cè)橫梁的主要作用是和4 根主立柱焊接在一起，從而形成儲能機柜的主框架，同時承受機柜起吊時的靜載荷。側(cè)橫梁采用如圖2所示的橫梁截面。

圖2 側(cè)橫梁截面示意圖

為使儲能機柜滿足實際的承載和抗震需要，機柜主框架采用全焊接的加工方式，將主立柱橫梁、側(cè)橫梁、前后豎支撐橫梁、前罩板等焊接成如圖3所示的機柜框架，然后在機柜框架上安裝支撐橫梁。機柜分為6層，每層排布2個儲能電池組單元，整個機柜共放置12個儲能電池組單元，每個儲能電池組單元的質(zhì)量在100 kg以上，整個機柜的承載質(zhì)量大于1.2 t。

以圖3所示的機柜為例，進行機柜框架固有特性力學分析。應用有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建機柜框架有限元模型，對模型進行簡化，去除多余的零部件，并調(diào)整機柜架中零件的尖角、倒角。通過對機柜框架的模態(tài)分析，研究整個機柜中儲能電池組單元的力學分布情況，為機柜框架結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化提供依據(jù)[3]。

圖3 機柜框架結(jié)構(gòu)模型

采用模態(tài)分析的方法來求證機柜框架的固有頻率，目的是在設計時將其作為約束條件，防止機柜在使用時發(fā)生共振。在設計階段將其作為設計輸入?yún)⒖?，對機柜框架結(jié)構(gòu)強度進行優(yōu)化和加強，避免機柜在使用過程中發(fā)生共振，避免對機柜設備造成破壞。

圖4所示為頻率比（ω/ωn）與振幅比（B/Bn）之間的關(guān)系。當頻率比遠小于1（即ω<<ωn）時，隨著阻尼比的增大，曲線趨于平緩，此時慣性力與阻尼力較小，動載荷主要與彈性力平衡。當頻率比遠遠大于1（即ω>>ωn）時，此時振幅主要取決系統(tǒng)慣性，動載荷主要與慣性力平衡。當頻率比接近于1（即ω=ωn）時，振幅急劇增大，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時阻尼越大，振幅越大[4]。

圖4 頻率比與振幅比的關(guān)系

系統(tǒng)的固有頻率是固有特性，只與其剛度、質(zhì)量和阻尼有關(guān)，與外界的激勵無關(guān)。單自由度有阻尼系統(tǒng)的固有頻率計算公式[5]為

式中：m為系統(tǒng)的質(zhì)量；k為系統(tǒng)的剛度；c為系統(tǒng)的阻尼。

為使系統(tǒng)滿足以固有頻率為約束的優(yōu)化結(jié)果，可以通過調(diào)整系統(tǒng)的剛度、質(zhì)量和阻尼來調(diào)整系統(tǒng)的固有頻率。因此可以通過ANSYS軟件對機柜框架的薄弱環(huán)節(jié)進行加強，從而達到優(yōu)化設計的目的。

3 電力儲能機柜的模態(tài)分析

3.1 建立有限元模型

為避免由于機柜框架有限元網(wǎng)格劃分過密，單元數(shù)量過多，從而造成計算分析時間過長，或進入死循環(huán)而中途死機，在進行模態(tài)分析之前，需要建立合適的有限元簡化模型。因此需要對電力儲能機柜的三維CAD模型進行適度的簡化，刪除機柜主立柱和橫梁上的減重孔，去除多余的零部件，對機柜中零件的尖角、倒角進行調(diào)整。經(jīng)過對機柜框架的優(yōu)化，得到簡化后的CAD模型，再通過有限元分析軟件ANSYS的無縫傳遞技術(shù)，將CAD模型導入到有限元軟件中。簡化后的機柜模型和劃分的網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 機柜框架有限元分析網(wǎng)格模型

3.2 機柜的模態(tài)分析

模態(tài)分析是動力學分析的基礎。對機柜框架進行模態(tài)分析，可提前避免機柜可能引起的共振，也有助于在其它動力學分析中估算求解控制參數(shù)等。機柜的振動特性決定了結(jié)構(gòu)對各種動力載荷的響應情況，進行諧響應分析、隨機振動分析等動力學分析之前都要進行模態(tài)分析[6]。機柜模型的頻率計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 模型頻率計算結(jié)果

在機柜框架網(wǎng)格模型的底部施加約束并求解，得到模型的固有頻率和振型，為進行隨機振動分析提供參考。經(jīng)過施加約束條件，對儲能機柜進行帶約束的模態(tài)分析，在邊界條件設置完成后，對機柜模型進行求解，前12階頻率及振型的計算結(jié)果如表2所示。

表2 前6階頻率及振型

地震的截止頻率為33 Hz，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，只有前3階模態(tài)小于地震截止頻率，第3階的模態(tài)頻率和地震截止頻率較為接近，在一定程度上容易發(fā)生共振。提取模態(tài)分析的前6階模態(tài)結(jié)果，機柜框架在不同模態(tài)下的形變云圖如圖7所示，變形量如圖8所示。

圖7 機柜前6階模態(tài)形變云圖

圖8 機柜框架變形量

結(jié)合變形量及形變云圖，隨著模態(tài)階數(shù)的增加，模型的變形量呈現(xiàn)先增后減的趨勢，第3、第4階模態(tài)下的變形量較大，因為這兩階的模態(tài)頻率和地震截止頻率較為接近，更容易產(chǎn)生共振。從第4階開始模態(tài)頻率就高于地震的截止頻率，此后的計算結(jié)果參考意義不大。模型的前兩階模態(tài)為彎曲振型，其余模態(tài)為彎扭組合振型。

3.3 機柜框架水平及垂直方向隨機振動分析

在進行機柜模態(tài)分析后，將模態(tài)分析結(jié)果文件作為約束條件，施加在隨機振動模擬中，分別設置水平加速度和垂直加速度為0.2g和0.1g。

經(jīng)過分析求解，得到機柜最大變形圖和等效應力分布圖。在機柜等效應力圖中，部分點的數(shù)據(jù)由于分析中一些尖角和圓孔的存在，造成網(wǎng)格劃分中存在一定的網(wǎng)格畸變，分析結(jié)果有一定的偏差值，此部分可不計入分析結(jié)果，只需觀察等效應力均勻分布的部位應力值的大小，均勻分布的應力值已標示在結(jié)果中，如圖9、圖10所示。

圖9 機柜水平方向隨機振動分析

圖10 機柜垂直方向隨機振動分析

通過分析云圖可知，水平和垂直方向上的振動變形量很小，均不超過1 mm，故此類變形可忽略不計。從機柜框架水平方向振動分析中可以看出，大部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和連接處的等效應力都不超過100 MPa，圖中最大值處應力值偏高，是由于框架上的圓孔圓角處網(wǎng)格畸變所造成的計算結(jié)果失真，可不予考慮。在垂直方向上，最大的等效應力值為35.146 MPa。機柜選用的材料為Q235，材料的屈服強度σs=235 MPa，抗拉強度σb=375～500 MPa，屈服強度和抗拉強度數(shù)值都高于模型分析的最大值，滿足水平和垂直方向振動的強度設計需求。

參考GB/T 2424.25-2000和IEC 60060-2-57:1999中的規(guī)定，立柱彎曲、底座變形斷裂等為永久變形，根據(jù)分析結(jié)果加強電池柜后并未出現(xiàn)大的變形等情況；在上述標準中要求實驗期間最大偏移量不應超過50 mm，分析中機柜的最大變形遠小于50 mm，完全滿足標準要求。

4 電力儲能機柜的試驗驗證

在完成電力儲能機柜的結(jié)構(gòu)設計和分析優(yōu)化之后，按照優(yōu)化后的加工圖樣加工出機柜樣柜之后，進行了振動和抗震試驗，驗證結(jié)構(gòu)設計和模態(tài)分析的結(jié)果。

4.1 振動試驗

在振動試驗過程中，按照表3和表4數(shù)據(jù)進行參數(shù)設定。

表3 振動試驗條件

表4 沖擊試驗條件

機柜振動試驗結(jié)果：機柜樣品在整 個 振動、沖擊過程中，內(nèi)部模擬的載荷和機柜實際安裝的載荷相同，機柜試驗過程中，其X、Y、Z軸各個方向的受力情況分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 機柜在X軸向振動試驗曲線

圖12 機柜在Y軸向振動試驗曲線

圖13 機柜在Z軸向振動試驗曲線

試驗結(jié)論：機柜樣品在各個軸向試驗結(jié)束后，均發(fā)現(xiàn)樣品柜門內(nèi)側(cè)的螺釘有脫落、松動現(xiàn)象。樣品其他部位外觀、結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯變形、松動及斷裂等異?，F(xiàn)象。樣品功能、性能也未出現(xiàn)較大的損傷和破壞。

4.2 抗震試驗

為了驗證機柜的抗震性能，參照YD 5083-2005電信設備抗地震性能檢測規(guī)范進行試驗，參照抗震等級為烈度7級。抗地震性能考核中，采用單軸正弦五拍波，每拍5周（如圖14）。

圖14 5周期的5個正弦共振拍波序列

固有頻率和反應倍率如表5、表6所示，對設備進行抗地震性能考核時，水平方向輸入波形加速度計算公式為

表5 水平方向固有頻率及反應倍率

表6 垂直方向固有頻率及反應倍率

式中：aH為水平方向輸入波形加速度；k1為設備重要度系數(shù)，該實驗取1.0；k2為建筑物樓面加速度放大倍率，該實驗取2；a1為地面加速度，按照7級烈度核算，正弦共振拍波水平取0.1，垂直取0.08。

試驗結(jié)果：機柜外形結(jié)構(gòu)完整，主體結(jié)構(gòu)有輕微變形，機柜連接部分部位允許有損傷，但焊接部位完整，螺栓有脫出和脫落，總體符合YD 5083-2005抗震試驗要求。

5 結(jié)論

運用ANSYS軟件對機柜框架進行模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，機柜在模態(tài)受力作用下，機柜主要發(fā)生整體扭轉(zhuǎn)、彎曲變形，但變形量和扭轉(zhuǎn)量都處在允許的范圍內(nèi)。機柜的主要薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生在主立柱型材和橫梁的連接部位。因此可以在設計和加工時，對這些薄弱部位進行加強予以改善。增加機柜的支撐梁，可以優(yōu)化機柜框架的承載受力，改變系統(tǒng)的固有頻率。改變主立柱支撐梁的截面形狀，也可以改變系統(tǒng)的固有頻率。通過對機柜結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，可以查找出機柜框架結(jié)構(gòu)設計上的薄弱環(huán)節(jié)，從而在設計階段予以規(guī)避或者改進完善。通過機柜框架的模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過改變機柜框架質(zhì)量和剛度分布，可以改變固有頻率及振型，為機柜框架后期的動態(tài)優(yōu)化設計和動態(tài)環(huán)境試驗的模擬提供可靠的數(shù)據(jù)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設計的情況，加工出機柜框架的樣品，并對機柜框架樣品進行了振動試驗，在試驗過程中，機柜框架僅出現(xiàn)了螺釘松動和輕微變形的情況，均在標準的允許范圍內(nèi)，機柜沒有傾倒、斷裂等破壞情況發(fā)生。