電動汽車電池包隨機(jī)振動疲勞及優(yōu)化分析

鄒賓興

摘 要：電池包作為電動汽車重要的組成部件，路面?zhèn)鬟f的隨機(jī)激勵是電池包失效的重要原因。本文根據(jù)有限元建模，單位載荷的應(yīng)力響應(yīng)求解及疲勞損傷的計算。對電池包存在疲勞損傷值過大的情況，研究了通過提升電電池包模態(tài)頻率以改善隨機(jī)振動疲勞特性的優(yōu)化思路。最后再通過進(jìn)行臺架實(shí)驗，驗證了所分析思路和優(yōu)化效果的有效性。

關(guān)鍵詞：電池包 隨機(jī)振動 疲勞 功率譜密度

近年來，汽車行業(yè)面臨巨大變革，產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式、競爭格局都在發(fā)生深刻變化，全球電動汽車銷量再創(chuàng)新高，電動汽車將成為制造業(yè)核心競爭力提升中的重要一項。由此可見，在市場及政策引導(dǎo)下電動車將替代燃油車成為主要的交通運(yùn)輸工具，其相關(guān)技術(shù)的開發(fā)也成為車企重點(diǎn)摸索的方向。

電池包系統(tǒng)作為不可缺少的核心部件，是車輛運(yùn)行提供動力的心臟，其結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。在車輛行駛過程過程中，受路面?zhèn)鬟f而來的外部振動載荷復(fù)雜，且隨機(jī)性大。因此，研究電池包在隨機(jī)外部振動載荷下的結(jié)構(gòu)特性，具有重要的工程意義[1]。戴江梁等[2]基于隨機(jī)振動理論與頻域疲勞分析法，研究了電池包結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理。王文偉等[3]基于三區(qū)間法計算了測試標(biāo)準(zhǔn)下電池包結(jié)構(gòu)的振動疲勞特性。孫小卯等[4]基于電池包動態(tài)特性，研究了電池包在振動過程中產(chǎn)生的疲勞問題。本文將主要從電池包結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動疲勞方面進(jìn)行分析研究。

1 電池包模型建立

本文研究的電池包結(jié)構(gòu)主要包括了電池包箱蓋，電池模組，箱體及電池包底板等，為提升計算效率，建模之前，將電池包中包含的線纜、接口、繼電器等對電池包結(jié)構(gòu)性能影響不大模塊省略。本文采用Hypermesh軟件進(jìn)行建模，建模過程中將尺寸較小的結(jié)構(gòu)如圓角、翻邊進(jìn)行適當(dāng)簡化[5]。電池包整個箱體材料為AL6061，電池包箱蓋和底板材料為Al5083，電池包整體重量545kg。

電池包本體結(jié)構(gòu)通過抽中面及殼單元對電池包進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元平均尺寸取8mm。對箱體結(jié)構(gòu)中一體成型的部分，在公共邊處采用共節(jié)點(diǎn)的方式連接，對焊接形式的連接結(jié)構(gòu)，采用焊縫單元（Hexa+Reb3）進(jìn)行連接。電池模組采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格建模。對于安裝孔，根據(jù)螺栓選型的尺寸添加washer，并采用全約束的Reb2單元抓取washer上的單元節(jié)點(diǎn)。通過bar單元模擬螺栓連接。檢查網(wǎng)格單元質(zhì)量，不能存在重疊或無連接的孤立單元等?；谏鲜鼋Ｒ?guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，建立好的電池包網(wǎng)格模型如圖1所示。。模型共有單元數(shù)1002423個，包含節(jié)點(diǎn)數(shù)896291個，其中三角形單元占比為0.2%。

2 電池包隨機(jī)振動疲勞分析

基于隨機(jī)振動疲勞的理論分析，首先需獲得在頻域內(nèi)，單位載荷下電池包結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。本文采用Nastran求解器，約束電池包26個安裝點(diǎn)（箱體22個，箱蓋4個）的全自由度。根據(jù)國標(biāo)GB/T 31467.3-2015要求，求解頻率范圍為0～200Hz，并分別從X、Y、Z三個方向加載單位加速度（1G）激勵，進(jìn)行模態(tài)頻率響應(yīng)分析，最終獲得電池包的三方向載荷-應(yīng)力響應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線，如圖2所示。

由計算結(jié)果可知單位載荷在電池包Z向產(chǎn)生的應(yīng)力較大，與其他兩方向相比，Z向工況較為惡劣。在得到傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，對電池包隨機(jī)振動疲勞的求解，還需要通過材料性能近似推算材料的SN曲線。電池包材料參數(shù)如表1所示。

通過材料參數(shù)近似擬合的SN曲線如圖3所示。

本文參照企業(yè)實(shí)驗標(biāo)準(zhǔn)的加速度激勵功率譜密度，如圖4所示，并基于Dirlik法及goodman平均應(yīng)力修正法，在Ncode軟件Vibration模塊中對電池包疲勞損傷進(jìn)行求解計算。計算結(jié)果如圖5所示。

從分析結(jié)果中可知。電池包損傷值為33，遠(yuǎn)超過損傷值小于1的要求，最大位置位于底板的前、后、中部的固定孔處，并呈現(xiàn)對稱式分布。通過圖4發(fā)現(xiàn)，Z向功率譜密度在頻率5～15Hz區(qū)間內(nèi)最大，正好與傳遞函數(shù)中Z向的最大應(yīng)力響應(yīng)相重合，兩者疊加可造成應(yīng)力功率譜密度在5～15Hz頻率區(qū)間內(nèi)峰值變大，最終造成電池包結(jié)構(gòu)的損傷出現(xiàn)失效風(fēng)險。因此，對于電池包振動疲勞性能的優(yōu)化主要從避免傳遞函數(shù)的最大應(yīng)力響應(yīng)頻域區(qū)間與激勵載荷的峰值頻域區(qū)間重合。

3 電池包疲勞性能優(yōu)化

為使得傳遞函數(shù)的頻域響應(yīng)區(qū)間避開5～15Hz范圍，可通過提升電池包結(jié)構(gòu)的剛度，以增加電池包在低頻區(qū)間內(nèi)的局部模態(tài)。由于電池包底板的損傷值較大，重點(diǎn)提升底板的局部剛度。為此，在底板與箱體部分可接觸范圍內(nèi)增加玻璃膠粘接。

采用同樣的分析方法，求解電池包單位載荷應(yīng)力響應(yīng)的傳遞函數(shù)，如圖6所示，并計算電池包的疲勞損傷，如圖7所示。

由圖5、圖6結(jié)果可以看出，在20～50Hz內(nèi)單位載荷的在三方向的應(yīng)力響應(yīng)都比較低，Z項的響應(yīng)峰值出現(xiàn)在60Hz左右處。而最大損傷位置也不在底板處，而是發(fā)生在箱體內(nèi)部，并且最大損傷值只有0.3，滿足設(shè)計要求。由此可見，本文提出的優(yōu)化方法有顯著效果。

4 實(shí)驗驗證

根據(jù)優(yōu)化方案的結(jié)論，制作電池包樣件。按圖4中加速度激勵功率譜密度作為臺架隨機(jī)振動激勵輸入，分別進(jìn)行Z向12h，X向12h，Y向12h實(shí)驗。臺架實(shí)驗過程如圖8所示。

整體實(shí)驗完成后，經(jīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)電池包結(jié)構(gòu)存在裂紋或變形等形式的結(jié)構(gòu)損傷。證明了優(yōu)化方案的可靠性，也間接證明了優(yōu)化分析思路的有效性。

5 結(jié)語

本文基于隨機(jī)振動疲勞理論，通過建立電池包有限元模型，從振動疲勞的角度介紹了電池包隨機(jī)振動疲勞的仿真方法，對于電池包存在疲勞失效風(fēng)險的情況，進(jìn)行了理論分析。并提出了改善電池包局部剛度以提升電池包模態(tài)頻率的優(yōu)化思路，從仿真結(jié)果來看，傳遞函數(shù)最大應(yīng)力響應(yīng)的頻率范圍避開加速度功率譜密度峰值頻率區(qū)間，可有效降低電池包疲勞失效的風(fēng)險。最后基于企業(yè)實(shí)驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行臺架實(shí)驗，驗證了所提優(yōu)化方案和優(yōu)化思路的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳琪.隨機(jī)激勵下電動汽車動力電池包結(jié)構(gòu)疲勞性能研究[D].華南理工大學(xué)，2017.

[2]戴江梁，熊飛，劉靜，等.基于某車型動力電池包的隨機(jī)振動疲勞分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2020，42（05）：1266-1270.

[3]王文偉，程雨婷，姜衛(wèi)遠(yuǎn)，等.電動汽車電池箱結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動疲勞分析[J].汽車工程學(xué)報，2016，6（01）：10-14.

[4]孫小卯.某型電動汽車電池包結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)設(shè)計[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.

[5]蘆欣，趙建平.路面隨機(jī)激勵下長管拖車框架疲勞分析[J].石油化工設(shè)備，2019，48（03）：1-6.