某电动汽车动力电池箱随机振动仿真与试验

2018-01-24章丽邹湘匡绍龙

中国设备工程 2018年1期

章丽，邹湘，匡绍龙

（1.苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215000；2.江苏兴云新能源有限公司，江苏无锡 214200）

动力电池是新能源汽车“三电”系统的核心组成部分，动力电池的使用安全直接影响着整车的性能安全和使用寿命。其中，结构安全和电气安全构成了动力电池安全的两个重要方向，而结构强度是保证结构安全的首要保障。为保证动力电池工作状态下的安全性和可靠性，对动力电池系统进行振动分析测试具有非常重要的意义。由于动力电池的内部模组结构比较复杂，并且车辆行驶工况的存在多样化和不确定性等特点，对其进行相关道路测试需要消耗大量的人工和时间成本等，因此，利用传统的试验方法对车载动力电池进行结构强度测试比较困难，而借助有限单元方法（FEM），通过计算机仿真模拟的手段，可以得到和真实情况相近的结果。

本文针对一种应用于新能源汽车的车载动力电池箱，基于有限元分析软件ANSYS WORKBENCH 对其结构强度进行随机振动仿真分析，研究该电池箱能否满足规范的运行要求，进而对该电池箱体进行振动试验，对仿真结果进行验证和分析。

1 电池箱体有限元模型的建立

使用SOLIDWORK 建立该车载动力电池箱三维结构如图1 所示，其长×宽×高尺寸为：990mm×570mm×243mm，该电池由上壳体、下壳体、外部支架、内部支架、插件转接铝板、MSD以及箱体内部的电池模组、BMS等部分构成。

在满足计算精度的前提下，对该车载动力电池箱作如下简化：通过Space Claim完成对箱体的几何修复和中面抽取，对箱内的锰酸锂电池模组通过质量点的方法施加到箱体中，电池箱体与其支架构件的焊接采用点焊模拟，见图2。

图1 车载动力电池箱结构外形

为动力电池箱的箱体和电池模组单元赋予材料属性，完成前处理设置。电池箱整体划分为239738个单元，所建立的网格模型如图3所示。

图2 电池箱体有限元模型

图3 电池箱全网格模型

2 电池箱模态分析

进行随机振动前，首先要得到电池箱体的模态，本文中模态提取方法选择Block Lanczos法，此方法计算精确，收敛性较快，在工程应用中常用此法来提取结构的模态。结构的振动是由各阶固有振型线性组合而成，其中，在整个模态分布中占主要地位的是低阶模态，而高阶模态对整个结构的响应贡献很小，因此本文仅考虑低阶模态的频率和振型，对高阶模态忽略不计。

进入ANSYS WORKBENCH 求解器，进行模态（Modal）分析，首先，计算电池箱的固有频率和振型。所得的前6阶低阶固有频率如表1所示。

表1 电池箱前六阶模态固有频率

3 随机振动分析

3.1 PSD 载荷设定

在ANSYS 环境中，依据模态分析所得参与因子进行电池箱的随机振动分析。载荷设定如下：在电池箱底座的固定孔处施加Z向的激励，以递减的加速度对电池垂直方向进行扫频，频率范围为7～50Hz，频谱关系依据GB/T 31467.3《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统：第3 部分安全性要求与测试方法》进行转化，激励谱如表2所示。

表2 频率和加速度

3.2 求解器计算结果

基于前述的激励和边界条件设定，通过ANSYS求解器对模型进行计算。对该电池箱而言，我们主要关心箱体的位移幅值、底座的应力峰值，进而由计算结果推断可能发生疲劳破坏的危险位置。计算所得振动工况下箱体的应力云图、变形云图，如图4、图5所示。

图4 电池pack应力云图

图5 电池pack变形云图

从图中可以看出振动过程中最大变形为12.88mm，电池箱体整体应力分布水平较低，结果满足实际使用要求。

4 动力电池振动试验

将电池动力系统按照实际装车的方式通过工装固定于电动振动台。按照随机振动工况自功率谱密度控制试验系统电机对振动台进行激励，从而将激励传递到整个电池箱体进行振动。按照试验测试相关标准，分别在电池箱体工装底座、部分关心区域等位置粘贴加速度传感器。图6为振动台上的试验箱体，图7为试验时功率谱的控制曲线具体参数。