某新能源汽车电池热管理机组振动分析

2018-12-08郑明超蔡培裕张克鹏严柏熠

汽车工程师 2018年11期

郑明超蔡培裕张克鹏严柏熠

（浙江盾安人工环境股份有限公司）

新能源汽车电池包的隔热散热关系到电池的安全性、经历长期工况后的性能一致性及系统可靠性。电池热管理机组作为控制电池包温度的关键部件之一，机组内部布置了大量的管路和其他零部件，这些零部件通过螺栓或焊接的方式与机组钣金框架相连。整个机组受到汽车不同运行工况下的激励载荷作用，如果载荷频率与电池热管理机组某一阶固有频率接近或相同，就可能会引起共振，导致局部应力过大，零部件及系统可靠性大大降低。GB/T21361—2008对汽车用空调器振动试验的要求作出了明确规定。文章利用HyperMesh建立整个电池热管理机组的有限元模型，利用ABAQUS求解器进行系统的模态和谐响应分析，根据分析结果判定设计方案的可靠性和合理性。

1 电池热管理机组的有限元模型建立

1.1 几何模型建立

几何模型是建立CAE有限元模型的基础，在SolidWorks中建立某电池热管理机组几何模型，如图1所示。为便于有限元前处理，将模型导出为.step格式。

图1 某电池热管理机组几何模型图

1.2 有限元模型建立

针对电池热管理机组，文章采用主流CAE前处理软件HyperMesh进行网格划分[1]。在进行网格划分时，根据部件的几何特征，钣金结构（安装脚和钣金框架）、管路（内部管路）使用壳单元，非考核部件（板式换热器、压缩机、PTC加热器及风机）使用壳单元+附加质量模拟，使其质量与质心位置与实际相同。模型中壳单元有三节点和四节点2种，其单元类型分别为S3和S4R，单元基本尺寸设为10 mm；冷凝器用六面体单元，单元类型为C3D8R，单元基本尺寸设为8 mm；螺栓用MPC替代，由于模态分析及谐响应分析是线性分析技术，非线性的接触设置不起作用，因此，部件间接触采用Tie模拟。最终有限元模型共有节点数为62 858，单元数为65 696，电池热管理机组有限元模型及局部细节，如图2及图3所示。

图2 某新能源汽车电池热管理机组有限元模型图

图3 某新能源汽车电池热管理机组局部有限元模型图

2 电池热管理机组的模态分析

2.1 模态理论

模态分析用于确定结构的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。模态分析也是响应谱分析和模态叠加法谐响应分析必需的前期分析过程。模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用，是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法[2-3]。

利用有限元方法求解结构的动态特性时，结构动力学方程，如式（1）所示。

式中：[M]——质量矩阵；

[C]——阻尼矩阵；

[K]——刚度矩阵；

{F}——激励力矢量；

{U}——位移矢量；

在模态求解时，假定结构自由振动，则取{F}={0}。理论分析和实践均表明，阻尼对结构固有频率和振型影响不大，可忽略不计，因此，式（1）成为无阻尼自由振动方程，如式（2）所示。

线性系统自由振动为简谐形式，如式（3）所示。

则微分方程转化为：

得到特征方程，如式（5）所示。

式中：ω——系统的固有频率，rad/s；

φ——相应的振型。

本次分析采用ABAQUS求解器及分块Lanczos方法进行求解。

2.2 材料设定

如图1所示，在电池热管理机组中，安装脚、钣金框架、内部管路、板式换热器、压缩机及PTC加热器的材料为碳钢Q235，冷凝器的材料为铝合金3003，风机的材料为ABS塑料，计算中用到的材料属性，如表1所示。

表1 某新能源汽车电池热管理机组材料属性表

2.3 约束边界条件

图4示出某新能源汽车电池热管理机组安装脚约束边界条件。电池热管理机组两侧有安装脚与框架相连，每侧安装脚各有2个螺栓孔（如图4中红色虚线框所示），约束螺栓孔处节点的1～6自由度。

图4 某新能源汽车电池热管理机组安装脚约束示意图

2.4 模态分析

GB/T 21361—2008《汽车用空调器》振动试验方法中规定，振动试验频率为33 Hz或67 Hz。提取的模态频率范围应将其包含在内，设定提取模态数为0～20阶，提交ABAQUS求解器进行求解，得到模态频率值，如表2所示。若提取模态不足，可重新设定更高阶数。图5示出电池热管理机组前4阶模态振型云图。

表2 某新能源汽车电池热管理机组模态频率表 Hz

图5 某新能源汽车电池热管理机组前4阶模态振型云图

电池热管理机组通过安装脚与振动试验台相连，从模态分析结果来看，第13阶模态频率和GB/T 21361—2008《汽车用空调器》振动试验方法中规定的试验频率（67 Hz）一致，有可能发生共振现象。

3 电池热管理机组的谐响应分析

3.1 谐响应分析理论

谐响应是结构在周期载荷作用下产生的周期响应。谐响应分析能够预测结构的持续动力特性，验证结构设计是否能克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。谐响应分析用于计算结构在不同频率下的响应，可以观察到峰值响应频率对应的应力。谐响应分析是线性分析技术，任何非线性特性将被忽略[4]。谐响应分析求解结构动力学方程，如式（6）所示。

由于阻尼的存在，各节点相位可以不同，因此，节点位移的表达式，如式（7）所示。

式中：Umax——位移幅值；

θ——位移相位角；

t——时间，s；

i——虚数单位；

e——自然常数。

将动力学方程改写为复数形式，如式（8）所示。

式中：{U1}，{U2}——位移实部矢量、虚部矢量；

{F1}，{F2}——力实部矢量、虚部矢量。

本次分析采用ABAQUS求解器及模态叠加法进行求解。

3.2 载荷边界条件

按照GB/T21361—2008《汽车用空调器振动》试验方法的规定，在33 Hz和67 Hz时电池热管理机组x，y，z向的加速度载荷均为3 g。

3.3 谐响应分析

电池热管理机组在受到加速度简谐载荷时，因框架与压缩机、换热器等零部件的固定板均是钣金结构，这些钣金件受破坏风险最大，影响上面安装部件的安全运行。因此，文章在进行谐响应分析时，主要考察电池热管理机组的钣金件[5]。

图6示出电池热管理机组在激励频率为33 Hz时3种工况下的应力云图。从图6可以看出，横向（x向）载荷工况下，其最大应力为110.5 MPa，出现在背面钣金与底壳钣金的中间连接螺栓孔附近；纵向（z向）载荷工况下，其最大应力为86.2 MPa，出现在板式换热器固定支架折弯附近；垂向（y向）载荷工况下，其最大应力为59.9 MPa，出现在板式换热器固定支架折弯附近。

图6 电池热管理机组在激励频率为33 Hz时3种工况应力云图

图7示出电池热管理机组在激励频率为67 Hz时3种工况下的应力云图。

图7 某新能源汽车电池热管理机组在激励频率为67 Hz时3种工况应力云图（应力/MPa）

从图7可以看出，横向（x向）载荷工况下，其最大应力为53.7 MPa，出现在正面钣金与进出水口相连位置；纵向（y向）载荷工况下，其最大应力为111.9 MPa，出现在出口管和高压加注口相连位置；垂向（z向）载荷工况下，其最大应力为75.5 MPa，出现在板式换热器固定支架折弯附近。从图6和图7可以看出，2种激励频率、3个载荷方向工况下，电池热管理机组的最大应力均未超过其材料的屈服强度（235 MPa）。