丁志友 高超 田艷妮

摘要：本文利用有限元仿真前處理軟件Hypermesh進(jìn)行了動力電池包的建模，并進(jìn)行了線性動力學(xué)隨機(jī)振動分析求解，計(jì)算得出有保溫棉電池包與沒有保溫棉電池包相比，上蓋振動響應(yīng)降低約10%。通過振動臺臺架試驗(yàn)，驗(yàn)證了電池包有保溫棉和沒有保溫棉的情況下，上蓋監(jiān)測點(diǎn)振動響應(yīng)降低約7.1%。仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合，可對電池包上蓋緩振設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

Abstract： In this paper， the FEM simulation software HyperMesh was used to model the battery pack， and the random vibration analysis was solved. It is calculated that the vibration response of the cover of the battery pack with insulation cotton is reduced by about 10% compared with that of the battery pack without insulation cotton in the random vibration analysis process. Through the vibration test， it is verified that the vibration response of the monitoring point on the cover decreases by 7.1% under the condition of the battery with or without the insulation cotton. Comparing test with the simulation the results were in good agreement. The simulation results are in good agreement with the experimental data， which can provide reference for the isolation-buffer design of the battery pack cover vibration.

關(guān)鍵詞：保溫棉;動力電池包;振動響應(yīng);仿真

Key words： the thermal insulation cotton;battery pack;vibration response;simulation

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0031-03

0? 引言

在全球能源危機(jī)的不斷加深和石油資源的日趨枯竭的今天，各國政府及汽車企業(yè)普遍認(rèn)識到節(jié)能減排是未來汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向[1]。純電動汽車中最重要的核心部件是動力電池包，由于其“體積大、重量大”[2]，電池包布置在前后地板下方較為可行[3]，并通過螺栓等連接方式連接在底盤上。

車輛在行駛中路面的激勵(lì)可能導(dǎo)致上蓋出現(xiàn)振動響應(yīng)，進(jìn)而拍擊車身地板，發(fā)出異響。目前一個(gè)較為常見的方法為在電池包內(nèi)部，上蓋和模組之間增加一層保溫棉。

保溫棉是一個(gè)雙面無紡布、中部填充PP或者其他材料的柔軟結(jié)構(gòu)，被廣泛用在需要隔熱保溫的場景中。也因其具有一定的彈性可以在一定程度上降低上蓋的振動響應(yīng)被應(yīng)用在動力電池中。但是長久以來，工程設(shè)計(jì)對保溫棉厚度、硬度等參數(shù)的設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)，對緩振效果缺乏定量的分析。通過仿真手段可以對有保溫棉的電池包上蓋和沒有保溫棉的電池包上蓋（以下簡稱有保溫棉和無保溫棉，不再贅述）進(jìn)行隨機(jī)振動工況下的振動位移響應(yīng)分析，定量研究其對上蓋振幅的影響，并用試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，對后續(xù)工程精細(xì)化設(shè)計(jì)提供一個(gè)思路。

1? 數(shù)值方法

我國在2020年5月發(fā)布了《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，其中對于動力電池包的耐振性能提出了新的要求[4]。與老標(biāo)準(zhǔn)對比，采用了與我國道路更匹配的PSD振動譜。經(jīng)過試驗(yàn)，整車實(shí)際路譜采集PSD譜線與該標(biāo)準(zhǔn)譜線非常接近，所以采用該標(biāo)準(zhǔn)譜作為整車上路行駛時(shí)，電池包的實(shí)際工況進(jìn)行分析。

保溫棉對上蓋振動響應(yīng)的影響主要集中在Z向振動工況，所以結(jié)合該標(biāo)準(zhǔn)要求，適當(dāng)考慮整車質(zhì)保年限及里程要求，在該標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高量級至國標(biāo)的1.5倍進(jìn)行計(jì)算。振動計(jì)算僅考慮Z向隨機(jī)振動工況，在Hypermesh軟件中進(jìn)行動力電池包的整包建模分析和求解。

隨機(jī)振動分析中的功率譜密度是一種基于概率的統(tǒng)計(jì)方法，因?yàn)殡S機(jī)振動分析中，連續(xù)的瞬態(tài)響應(yīng)只能用概率方法表述，即某響應(yīng)出現(xiàn)的概率情況。國標(biāo)規(guī)定的功率譜密度即PSD曲線就是激勵(lì)和響應(yīng)的方差與頻率的關(guān)系[5]。

在汽車領(lǐng)域?qū)嶋H操作中經(jīng)常采用實(shí)測路譜的方法進(jìn)行功率譜密度的生成。即首先記錄下某參數(shù)的時(shí)間歷程xk（t）稱之為樣本函數(shù)，進(jìn)行n次試驗(yàn)構(gòu)成一個(gè)集合，于是在任意時(shí)刻t1每個(gè)樣本均有一個(gè)不一樣的值，它們共同構(gòu)成一個(gè)隨機(jī)變量X（t1）[6]。于是將自相關(guān)函數(shù)定義為：

其中，E表示隨機(jī)變量的均值。一般假設(shè)隨機(jī)過程為平穩(wěn)過程，即函數(shù)與采樣時(shí)間t1無關(guān)，那么自相關(guān)函數(shù)又可以寫為：

計(jì)算式（2）自相關(guān)函數(shù)Rx（？子）的傅里葉變換對，得到：

式（3）中Sx（？棕）可視為均方值在頻域內(nèi)的分布密度，稱為隨機(jī)過程X（t）的功率譜密度，簡稱自譜[7]。令？子=0，由式（4）可得，自相關(guān)函數(shù)Rx（0）稱為隨機(jī)過程的均方值（Mean Square），均方值可視為平均能量或功率的一種測度，其公式為：

有限元計(jì)算中得出的RMS值（Root Mean Square即均方根值），公式為：

電池包上蓋振動響應(yīng)的均方根值可以認(rèn)為是有效值，在實(shí)際應(yīng)用中求解關(guān)心頻率范圍內(nèi)功率譜密度的均方根值可以獲取振動能量強(qiáng)弱[8]。具體到工程設(shè)計(jì)中，均方根值可以為機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和振動試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)提供設(shè)計(jì)依據(jù)[9]。本文采用電池包上蓋若干參考點(diǎn)的隨機(jī)振動位移均方根值作為定量分析電池包上蓋振動位移響應(yīng)的指標(biāo)。

2? 仿真分析

2.1 計(jì)算方法

利用仿真前處理軟件HyperMesh建立電池包的仿真模型，該軟件對復(fù)雜結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格具有一定的優(yōu)勢[10]。本文中涉及的電池包由托盤、上蓋、支架和工裝組成，其中工裝為PSOLID類型，其他單元類型為PSHELL類型，內(nèi)部一些局部支架采用PSOLID單元，縫焊為RBE2單元，點(diǎn)焊為ACM單元建模。模組和電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般采用實(shí)體單元模擬建模，通過前期試驗(yàn)對標(biāo)確認(rèn)其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。

根據(jù)電池包內(nèi)模組上蓋板與電池包上蓋之間的間隙距離，選擇4mm厚度保溫棉進(jìn)行分析。在上蓋造型的加強(qiáng)筋的局部區(qū)域，包內(nèi)模組上蓋板和整包上蓋之間的距離為3.785mm，保溫棉被局部壓縮（最大壓縮量為0.2mm）。由于保溫棉非常柔軟，壓縮量較小的情況下采用均一性假設(shè)模擬，即采用各向同性材料，等彈性模量近似假設(shè)其結(jié)構(gòu)性能，計(jì)算其相對變化量估計(jì)其性能提升。電池包內(nèi)的材料參數(shù)見表1。

在隨機(jī)振動計(jì)算中，為了獲得上蓋的振動響應(yīng)，在上蓋上選擇若干參考點(diǎn)，提取其振動位移響應(yīng)的RMS數(shù)值，參考點(diǎn)的位置見圖1所示。

將工裝所有螺栓孔約束1-6自由度，模擬工裝通過螺栓孔固定在振動臺的情況。在工裝上加載國標(biāo)1.5倍PSD譜，提交隨機(jī)振動計(jì)算，輸出上蓋參考點(diǎn)振動位移響應(yīng)。

2.2 仿真結(jié)果及分析

通過仿真計(jì)算，輸出5-200Hz頻率段內(nèi)，每個(gè)參考點(diǎn)位移-頻率RMS曲線（累積）曲線。中部參考點(diǎn)響應(yīng)最為明顯，其中最大響應(yīng)的位置位于電池包上蓋后部中間位置。兩側(cè)的參考點(diǎn)與激勵(lì)參考點(diǎn)響應(yīng)相差較小。

根據(jù)圖2 a）和2 b）中激勵(lì)參考點(diǎn)位移RMS值曲線最大值均為2.39mm，即有無保溫棉電池包上加載的激勵(lì)是一致的。圖2 b）中有保溫棉上蓋最大響應(yīng)參考點(diǎn)的位移RMS值為2.51mm，圖2a）中沒有保溫棉上蓋最大響應(yīng)參考點(diǎn)則為3.18mm。即增加的保溫棉結(jié)構(gòu)有效的降低了上蓋參考點(diǎn)的最大振動響應(yīng)。

RMS累積曲線的斜率在低頻時(shí)較大，隨著頻率增加斜率迅速趨于0。該曲線說明在低頻時(shí)電池包參考點(diǎn)的響應(yīng)較大，在高頻時(shí)響應(yīng)較小。

如圖3所示有保溫棉的監(jiān)測點(diǎn)位移在低頻區(qū)域最大位移1.57mm;無保溫棉的監(jiān)測點(diǎn)位移在低頻區(qū)域最大位移1.69mm。根據(jù)計(jì)算，可以認(rèn)為其上蓋位移降低約7%。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將有保溫棉和無保溫棉的兩個(gè)方案的電池包分別進(jìn)行振動臺架測試，通過工裝將其固定在振動臺上。如圖4所示。

試驗(yàn)測量中無法對所有參考點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，綜合工裝與傳感器極限位置情況，調(diào)節(jié)激光傳感器至兩側(cè)位置，定義兩個(gè)試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)如圖5所示。分別進(jìn)行有保溫棉和無保溫棉情況下的短時(shí)間隨機(jī)振動并采集監(jiān)測點(diǎn)的位移響應(yīng)，記錄數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步分析，剔除異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，無論有無保溫棉上蓋，監(jiān)測點(diǎn)的振動位移響應(yīng)分布均呈現(xiàn)類似正態(tài)分布的情況。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以使用正態(tài)分布函數(shù)擬合出兩個(gè)位置兩種方案概率密度曲線，并經(jīng)過計(jì)算得到每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在有無保溫棉情況下的分布標(biāo)準(zhǔn)差值，見表2所示。由于正態(tài)分布均值為0，其標(biāo)準(zhǔn)差可認(rèn)為與RMS值相等。

受制于試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)和仿真參考點(diǎn)的位置存在差異。為了定量分析保溫棉對上蓋振動響應(yīng)的影響，考慮監(jiān)測點(diǎn)附近仿真參考點(diǎn)區(qū)間，計(jì)算有保溫棉上蓋兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)與無保溫棉上蓋對應(yīng)點(diǎn)位的相對差值進(jìn)行分析。

分析表2中的數(shù)據(jù)簡單計(jì)算可以了解到其上蓋振幅降低約6.6%和7.5%，其均值7.1%，結(jié)果見表3所示。

3? 結(jié)論

通過計(jì)算機(jī)仿真手段建立保溫棉和電池包的有限元模型，定量研究了隨機(jī)振動工況中，保溫棉對上蓋振動位移響應(yīng)的影響，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真計(jì)算的結(jié)果表明保溫棉可以降低約7%的上蓋振動響應(yīng)，而試驗(yàn)結(jié)果為7.1%，與仿真計(jì)算的結(jié)果較吻合。本文通過仿真方法定量衡量保溫棉對動力電池包上蓋振幅響應(yīng)影響，對電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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