任凱，陳建建，肖杰，王立成，項(xiàng)光遠(yuǎn)

(1. 南京勝捷電機(jī)制造有限公司 江蘇 南京 211200； 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 宿遷供電分公司 江蘇 宿遷 223800)

0 引言

為了解決我國能源問題，新能源汽車的發(fā)展相當(dāng)重要。新能源汽車在行駛過程中，振動(dòng)現(xiàn)象是十分普遍的，由于振動(dòng)是非線性和非連續(xù)性，所以對(duì)振動(dòng)的理論計(jì)算相當(dāng)困難[1-3]。本文采用理論與ANSYS有限元仿真相結(jié)合的辦法對(duì)新能源汽車的電池管理系統(tǒng)中BDU進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析[4-6]。

1 BDU總成介紹

BDU(battery disconnect unit)作為新能源汽車的動(dòng)力電池切斷單元，在電動(dòng)汽車的電池組件中的作用相當(dāng)重要，其背部的高壓接插件與電源直接相連接，控制電源輸入與輸出。其內(nèi)部主要由繼電器、銅牌、PCB板等電氣元件組成，裝配精度比較高[7-8]。

2 隨機(jī)振動(dòng)的基本原理

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本方程：

(1)

(2)

(3)

其中，ω1和ω2為基礎(chǔ)加速度隨機(jī)激勵(lì)的起始角頻率和終止角頻率。進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析需要的輸入是：從模態(tài)分析中得到的固有頻率和振型，作用于節(jié)點(diǎn)上的[9-11]。

3 BDU的隨機(jī)振動(dòng)有限元分析

3.1 BDU有限元模型

為了減少計(jì)算量，需要對(duì)BDU有限元模型進(jìn)行簡化。對(duì)關(guān)鍵部位要細(xì)化，影響機(jī)械性能的圓角等不能舍棄，其他部位可以粗畫，即把圓角都拐彎抹角的特征都刪掉。但為了同時(shí)保證精度，必須滿足平衡條件、變形協(xié)調(diào)條件、剛度等價(jià)、根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取單元使其很好地反映結(jié)構(gòu)的傳力特點(diǎn)、盡可能地貼近實(shí)體模型等原則，對(duì)繼電器、PCB板上零部件以及螺栓做簡化，鋁殼的簡化結(jié)果為6個(gè)螺栓孔。模型簡化后，導(dǎo)入有限元分析軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分BDU三維簡化圖形如圖1所示。

圖1 BDU簡化模型(內(nèi)部)

3.2 邊界條件

對(duì)于唯一模式的有限元法，在結(jié)構(gòu)的邊界上必須嚴(yán)格滿足已知的位移約束條件。對(duì)連接件的邊界條件設(shè)置主要在接觸上面，螺栓為固定接觸，且螺栓的預(yù)緊力和螺栓轉(zhuǎn)矩按照螺栓預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)并強(qiáng)度等級(jí)為8.8選取，此外還需再加上系統(tǒng)本身的重力因素。

3.3 模態(tài)分析

對(duì)BDU做振動(dòng)分析之前，先對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析的主要作用是確定鋼體的固有頻率和振型，這些都是由鋼體的結(jié)構(gòu)幾何形狀、材料的特征屬性以及約束形式?jīng)Q定的，外載荷對(duì)其無影響。本文提取前6階模態(tài)，其中一階振型沿X方向，二階沿Y方向，三階沿3個(gè)方面，四階沿2個(gè)方向等，在不同方向分別對(duì)應(yīng)的頻率表如圖2所示。

圖2 模態(tài)分析結(jié)果

3.4 隨機(jī)振動(dòng)分析

在模態(tài)分析之后，分析結(jié)果導(dǎo)入振動(dòng)模塊中，對(duì)其施加不同頻率下各個(gè)軸的功率密度譜如表1所示，求解如圖3至圖6所示。

表1 功率密度譜

圖3 應(yīng)變?cè)茍D(內(nèi)部)

圖4 應(yīng)變?cè)茍D(外部)

圖5 應(yīng)力云圖(外部)

圖6 應(yīng)力云圖(內(nèi)部)

鋁殼簡化為6個(gè)固定端之后，對(duì)其進(jìn)行邊界條件設(shè)置，基于模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)BDU添加5Hz、22Hz、140Hz的頻率下不同功率密度，得出振動(dòng)后的應(yīng)力和應(yīng)變圖，在圖3中可以看出，最大應(yīng)變?cè)赑CB板下側(cè)，沿Y方向應(yīng)變量為0.281 7mm，PCB板的形變率為0.2%。根據(jù)ISO，PC材料屈服極限為6%，因此滿足應(yīng)變要求。最大應(yīng)力在下殼體中間和上方兩側(cè)邊沿出的螺栓處，應(yīng)力值為8.97Pa，在IOS527-2標(biāo)準(zhǔn)中，23°時(shí)的強(qiáng)度極限為100MPa，安全系數(shù)遠(yuǎn)大于3。綜上，在振動(dòng)后，不會(huì)出現(xiàn)損壞和開裂現(xiàn)象，滿足汽車一般塑料件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(QCn 29017)。

4 結(jié)語

1) 根據(jù)圖2和表1可知，BDU的前6階固有頻率與振動(dòng)試驗(yàn)中采用的功率譜密度中的其中一個(gè)比較接近，這個(gè)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能具有一定的不利。

2) 計(jì)算與分析證明了BDU的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)果是滿足產(chǎn)品要求的。

3) 確定了隨機(jī)振動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的薄弱位置，并對(duì)薄弱位置的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，對(duì)考核BDU在耐久振動(dòng)下的壽命具有參考作用。

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