夏旭東 張書堂 黃會(huì)茹 邵志鋒

XIA Xu-dong et al

河南森源重工有限公司 河南長葛 461500

1 前言

電池包作為純電動(dòng)車輛的能量來源，是純電動(dòng)車輛的核心部件，其結(jié)構(gòu)的可靠性及安全性非常重要。參考電池車輛安裝位置和GB/T 2423.43 -2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分 試驗(yàn)方法振動(dòng)、沖擊和類似動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)樣品的安裝的要求》[1]，將電池包安裝在試驗(yàn)臺(tái)上時(shí)，電池應(yīng)進(jìn)行15 min正弦波振動(dòng)，振動(dòng)頻率從7 Hz增加至50 Hz再回至7 Hz。現(xiàn)對(duì)某電池包進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在20～24 Hz時(shí)，模組及模組固定支架附近發(fā)生共振現(xiàn)象，為解決該問題，現(xiàn)對(duì)該電池包進(jìn)行模態(tài)分析，同時(shí)為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

2 電池包有限元模型的建立及模態(tài)分析

首先根據(jù)電池包的結(jié)構(gòu)及尺寸，采用軟件ProE建立電池包的三維實(shí)體模型[2]。將三維實(shí)體模型保存為通用Stp格式，導(dǎo)入HyperMesh分析軟件，箱體及支架的材料為Q235，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量2.10×105；模組為復(fù)合材料，密度為1.70×103kg/m3，泊松比0.4，彈性模量為5.50×103。箱體及支架采用殼單元，模組采用4面體單元，1d單元模擬焊接及螺栓連接等，共劃分36 3761個(gè)單元，391 081個(gè)節(jié)點(diǎn)[3-4]。

約束固定電池包安裝支架，限制6個(gè)自由度，模擬實(shí)際裝車及試驗(yàn)條件[3-4]。有限元模型如圖1所示，隱藏頂蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

設(shè)置模態(tài)分析參數(shù)，求解前5階模態(tài)， 如圖3所示[3-4]。

使用OptiStruct軟件對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖4所示。計(jì)算所得前5階模態(tài)振動(dòng)頻率如表1所示。

圖1 電池包有限元模型

圖2 電池包有限元模型（隱藏頂蓋）

圖3 模態(tài)分析參數(shù)

表1 電池包各階模態(tài)固有頻率

圖4 電池包模態(tài)圖

對(duì)頂蓋進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，改進(jìn)裝配方式為采用模組與頂蓋間增加泡棉墊方式進(jìn)行裝配。分析得知模組及附近固定件3階模態(tài)為23 Hz，與振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

根據(jù)電池包模態(tài)分析，電池包箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足試驗(yàn)要求。

2.1 方案一

對(duì)底部增加加強(qiáng)筋，如圖5所示。

圖5 電池包底部加筋前后有限元模型

圖6 電池包模態(tài)圖

對(duì)方案一使用OptiStruct軟件對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖6所示。計(jì)算所得前10階模態(tài)振動(dòng)頻率如表2所示。

表2 電池包各階模態(tài)固有頻率

改進(jìn)后對(duì)頂蓋進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)共振頻率依舊較為密集。模組及其周邊固定件振動(dòng)頻率由原結(jié)構(gòu)的23 Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?4 Hz，該方案不滿足要求。

2.2 方案二

方案二考慮在底部加筋的基礎(chǔ)上，將底部筋整體厚度由1.5 mm調(diào)整為3 mm。

對(duì)方案二使用OptiStruct軟件對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖7所示。計(jì)算所得各階模態(tài)振動(dòng)頻率如表3所示。

表3 電池包各階模態(tài)固有頻率

模組及其周邊固定件由原結(jié)構(gòu)的23 Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?階27 Hz及8階43 Hz，該方案不滿足要求。通過調(diào)整底部加強(qiáng)筋增加電池包箱體的剛度，能提高模組處振動(dòng)頻率，但效果有限，不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 方案三

方案三考慮將左右對(duì)稱模組連接。根據(jù)上述分析結(jié)果，初步確定通過箱體底部加筋或增加筋板厚度，最終實(shí)現(xiàn)箱體底部剛度的增加能夠提高模組及其固定支架的振動(dòng)頻率?，F(xiàn)各大電池廠商陸續(xù)推出長模組結(jié)構(gòu)形式，借鑒該結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用至該款電池包，將模組固定螺栓頂端通過剛性連接，重新進(jìn)行模態(tài)分析。有限元模型如圖8所示。

圖7 電池包模態(tài)圖

圖8 對(duì)稱模組間剛性連接有限元模型

對(duì)方案三使用OptiStruct軟件對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖9所示。計(jì)算所得前10階模態(tài)振動(dòng)頻率如表4所示。

表4 電池包各階模態(tài)固有頻率

圖9 電池包模態(tài)圖

對(duì)方案三改進(jìn)后頂蓋進(jìn)行模態(tài)分析，共振頻率依舊較為密集。模組及其周邊固定件模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?階的52 Hz及10階的65 Hz，實(shí)際投產(chǎn)時(shí)頂蓋采用底部加泡棉的形式，避免頂蓋的振動(dòng)，結(jié)果說明左右對(duì)稱模組間增加剛性連接能有效提高模組及固定支架的振動(dòng)頻率，分析結(jié)果滿足國標(biāo)振動(dòng)試驗(yàn)要求。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)方案三在模組間增加剛性連接板，將對(duì)稱模組通過螺栓緊固在一起，重新進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)模組及固定支架共振現(xiàn)象，即驗(yàn)證該方案實(shí)際可行，滿足國標(biāo)振動(dòng)試驗(yàn)要求。各大電池廠家模態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)均為30 Hz，可見該方案通過行業(yè)橫向?qū)Ρ纫嗫蓾M足使用要求。

3 結(jié)語

本文采用有限元方法及現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法對(duì)電池包的模態(tài)分析進(jìn)行研究，通過將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果相比較，可以得出以下結(jié)論：

a.通過將模組連接起來能有效提高模組及固定支架的振動(dòng)頻率，并滿足國標(biāo)及實(shí)際使用需求；

b.通過將試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較可知，在對(duì)電池包進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，簡化建立的有限元模型是正確的，兩者的誤差能夠滿足工程需求；

c.通過試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析模型的合理性，為后續(xù)電池包等結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。