农场电动汽车电池模组随机振动疲劳分析

高文英

(沈阳职业技术学院科技学院，辽宁沈阳 110045)

0 引言

在农业机械化及自动化严峻形势下，结合能源、环境和工作效率自动化的问题，能源动力转型成为全球共识，发展大型农场用电动汽车已成为农业自动化的主攻方向。电池是农场电动汽车的能量储存装置，是电动汽车的动力来源，其好坏直接影响电动汽车的安全性、功率密度、寿命以及成本等。针对农场路面高低不平，动力电池承受路面传递的机械冲击，同时也承受路面随机振动载荷。因而，随机振动、疲劳和机械冲击分析是对电池模组设计过程中必不可少的环节之一。本文作者针对某农场电动汽车电池组进行随机振动分析，计算出各个组成部件的应力、应变和位移结果，为企业设计人员提供一种有效的设计分析方法。

1 随机振动分析方法

MSC.Nastran是世界上功能全面、性能超群、应用广泛的大型通用结构有限元分析软件，被广泛应用于各个行业的工程仿真分析。MSC.Patran拥有强大的有限元前处理功能，是世界公认的集几何访问、有限元建模、分析求解及数据可视化于一体的新一代框架式软件系统[1]。

2 电池有限元模型分析

2.1 有限元模型的建立

使用CAD设计软件和有限元前处理软件MSC.Patran对电池模组CAD几何模型进行修复和简化[2-3]。针对电池模组CAD模型组件的特点，采用多种单元混合建模：壳单元、实体单元、梁单元、质量单元等单元类型，划分网格的基本尺寸为3 mm。最终简化的几何模型和有限元模型如图1所示。

图1 几何模型和有限元模型

2.2 载荷参数

载荷参数按照前期试验测试的输入载荷进行分析计算，试验测得电池模组在X、Y、Z方向的PSD功率谱密度如表1所示。

表1 X、Y、Z方向随机振动PSD功率谱密度

3 随机振动分析结果

电池模组X方向的随机振动结果RMS应力云图如图2所示。

对电池模组X方向的随机振动结果各部件采用3-Sigma分析方法进行疲劳寿命预测，结果如表2所示。电池模组在X和Z方向随机振动下，使用寿命预估为无限寿命，符合要求。

图2 电池模组有限元梁/壳单元RMS应力云图

表2 X、Y、Z方向随机振动疲劳分析预估结果

根据《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统测试规程》：每个方向的测试时间是21 h。在Y方向随机振动分析中，连接镍片的使用寿命预估如式(1)计算，计算结果约为55年。

(1)

式中：T为使用年限，y；N为寿命，h；t为测试时间，h。

电池模组在Z方向随机振动下，使用寿命符合要求。

4 结束语

文中在随机振动工况下采用3-Sigma法来进行疲劳寿命预测，通过对电池模组X、Y和Z3个方向的随机振动分析，结果表明其结构满足随机振动工况下的强度要求和疲劳寿命要求，计算结果为机构疲劳寿命的评估提供一定的理论支持。但是机构在计算过程中进行了一定的简化，并考虑到材料的表面处理及其他因素影响，计算结果仍然会存在一定的误差。若能与试验相结合，将能够使结果更加完善、准确。