基于ABAQUS的动力电池包模态性能研究

李垚坤，黄翰，杜威，路珂，朱春骏

基于ABAQUS的动力电池包模态性能研究

李垚坤，黄翰，杜威，路珂，朱春骏

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

为提高电动汽车结构安全性，对其核心部件动力电池包进行模态性能研究，基于ABAQUS软件对动力电池包前六阶约束模态特征值进行提取。通过仿真发现电池包前两阶频率均低于27.780 Hz，第四、五阶频率接近33 Hz，存在一定共振风险，且下盖在前四阶、第六阶振型中均出现大幅振动，其动刚度亟需增强。通过模态分析发现了原结构中存在的安全隐患，这对进一步改进结构具有实际参考意义。

动力电池包；有限元；模态分析；固有频率

随着电动汽车市场快速发展，电动汽车的安全性问题成为了当今汽车行业的热点和难点。电池包作为电动汽车的能量来源，其稳定性的研究显得至为重要。电池箱在汽车行驶时会受到路面、车架、电机的动态激励。如果这些外界激励频率与电池箱固有频率相近，则会发生部分甚至大规模振动，存在一定安全隐患，此现象称之为共振[1]。模态是指机械结构的振动特性，通过模态分析能够预判电池包结构的设计缺陷，避免产生共振导致事故的发生。

本文采用有限元法，基于ABAQUS软件对某电池包进行模态分析，得到了前六阶模态特性，分析结果发现电池包下盖动刚度不足，存在安全风险，为进一步结构改进提供了方向。

1 电池包有限元模型建立

1.1 模型简化及网格划分

动力电池包长1 801 mm，宽1 097 mm，高282 mm，为提高计算精度和计算成本最优化，用简单实体代替复杂电池组结构。板金件材料为DC06高强度钢，电池模组用可压缩泡沫材料来模拟[2]。

各部件厚度如表1所示。

表1 电池包各部件厚度（单位：mm）

部件厚度部件厚度 上盖2吊耳支架4 下盖4内部托架4 电池罩盖3底架2 电池模组—吊耳4

为方便计算，在HyperMesh中简化单元尺寸不大于 5 mm的圆孔、倒角，采用TRIA3和QUAD4壳单元和六面体实体单元进行网格划分。箱体结构以焊接和螺栓连接为主，均采用RBE2刚性单元模拟。该模型大部分为二维单元，这里主要对网格的单元长度、翘曲度、长宽比、扭曲角、雅可比等二维网格质量参数进行调整[3]，具体标准如表2所示。

表2 二维网格质量参数标准

评价指标标准评价指标标准 三角形单元最小内角>25°三角形单元最大内角<120° 四边形单元最小内角>30°四边形单元最小内角<140° 单元扭曲度<7°网格翘曲角<7° 雅可比≤0.7网格长宽比≤5

1.2 电池包有限元模型

最终电池包有限元模型如图1所示，共有868 992个单元，935 186个节点，其中三角形单元数为114个，雅可比小于0.5。

图1 电池包有限元模型

2 模态分析

2.1 理论基础

模态分析是一种研究结构振动特性的参数识别技术，通过求解系统的模态特性，可预测结构设计是否合理，避免与工况中出现的频率重合产生共振，对结构造成破坏。

无阻尼结构体系自由振动运动方程为：

将结构的弹性无阻尼自由振动用若干个简谐运动叠加的方式来代替，其位移函数用正弦函数来表示，求得式（1）解为：

{[]－2[]}{}={0} （2）

式（2）中：为固有频率；{}为振幅列向量矩阵。

注意到无阻尼自由振动系统中，结构各节点振幅不可能同时为0，即{}不为0，由此可推出系统自由振动频率方 程为：

|[]－2[]|=0 （3）

通过阶矩阵[]和[]，可求得系统个特征值i（=1，2，3，…，），即固有频率，将i2代入式（2）中可求得与之对应的特征向量{i}（=1，2，3，…，），即系统的振型向量[4]。

在ABAQUS软件采用高效且适用于求解复杂结构模态特性的Lanczos算法，对电池包前六阶模态特征值进行提取。为精确模拟电池包与车身连接关系，约束12个吊耳孔全部自由度，采用约束模态方式进行分析。

2.2 仿真分析

ABAQUS求解器计算电池包前6阶模态特性如表3所示，振型如图2所示。

表3 电池包前6阶模态频率及振型

阶次频率/Hz振型描述 一阶17.471电池包下盖中部弯曲振动 二阶18.042电池包下盖中部弯曲振动 三阶28.554电池包下盖后部弯曲振动 四阶32.119电池包下盖前、后部两侧振动 五阶32.879电池包上盖前部弯曲振动 六阶37.521电池包下盖前、后部弯曲振动

2.3 结果评价

动力电池包系统工作的常见频率为33 Hz，且在平坦路面、碎石路面和搓板路面三种常见路况条件下时速为100 km/h、60 km/h和40 km/h时，路面不平度对电池包的激励频率分别为27.780 Hz、22.520 Hz和24.460 Hz[5]，因而为避免共振的发生，电池包固有频率需高于27.780 Hz且避开33 Hz。

仿真结果中电池包前两阶频率均低于27.780 Hz，且第四、五阶频率接近33 Hz，存在一定共振风险。前四阶及第六阶模态振型中均在电池包下盖出现大幅度振动，表明其动刚度不足，需增强电池包下盖动刚度。

3 结语

本文采用有限元方法，基于ABAQUS软件对电池包进行模态分析，得到了电池包前六阶模态特征值，分析结果发现前六阶固有频率有待提高，且电池包下盖在模态分析中位移量较大，刚度亟需加强，否则可能会引起事故的产生。通过对动力电池包模态性能进行研究，发现了原结构中存在的安全隐患，为进一步的结构改进打下了基础，具有一定实际参考意义。

［1］朱茂桃，何志刚，徐凌，等.车身模态分析与振型相关性研究［J］.农业机械学报，2004，35（3）：13-15.

［2］刘金.碰撞工况下汽车动力电池包动力学响应分析及安全评价［D］.广州：华南理工大学，2017.

［3］姜高松.某纯电动汽车电池箱结构设计分析及优化［D］.长沙：湖南大学，2016.

［4］刘延柱.振动力学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［5］李明秋.电池包箱体的有限元分析和结构优化设计［D］.吉林：吉林大学，2017.

U463.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.010

2095－6835（2020）13－0026－02

李垚坤（1998—），男，研究方向为新能源汽车动力电池。

〔编辑：王霞〕