郝成旭，洪占勇，王睿

新能源汽車電池箱接插件容錯結(jié)構(gòu)與性能研究

郝成旭，洪占勇，王睿

（1.合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.航空結(jié)構(gòu)件成型制造與裝備實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

為提升新能源電池箱接插件的易操作性和可靠性，針對目前接插件結(jié)構(gòu)缺陷，設(shè)計(jì)了包含容錯結(jié)構(gòu)和快速插接結(jié)構(gòu)的電池箱接插件，并采用模態(tài)分析的方法對接插件殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過三維建模并導(dǎo)入有限元分析軟件對電池箱接插件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，確定其固有頻率及振型。根據(jù)分析結(jié)果，提出基于ABS材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。通過模態(tài)分析及隨機(jī)振動分析檢驗(yàn)優(yōu)化后的接插件動力學(xué)性能。結(jié)果表明優(yōu)化后接插件前6階的模態(tài)固有頻率至少提升21.8%，隨機(jī)振動最大位移點(diǎn)為遠(yuǎn)離振動源處。分析結(jié)果驗(yàn)證了接插件結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理，同時(shí)對同類接插件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和動力學(xué)仿真具有一定的指導(dǎo)意義。

新能源；接插件；容錯結(jié)構(gòu)；模態(tài)分析

前言

接插件廣泛用于新能源汽車電氣系統(tǒng)的電路連接和信號傳遞，由于新能源汽車電池箱接插件所傳輸?shù)碾妷阂话愣几哂?20 V，所以電池箱接插件的安全可靠在整車安全中至關(guān)重要，接插件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足多變運(yùn)行環(huán)境和行駛工況下的要求[1]。振動的運(yùn)行環(huán)境會引起微動磨損，從而會導(dǎo)致瞬斷現(xiàn)象，而且產(chǎn)生的摩擦熱會進(jìn)一步促進(jìn)氧化膜層的生長，致使電連接器的失效[2]。接插件殼體是連接器的外罩，它為內(nèi)裝的絕緣安裝板和接觸件提供機(jī)械保護(hù)，并提供插頭和插座插合時(shí)的對準(zhǔn)，進(jìn)而將連接器固定到設(shè)備上，其材質(zhì)有良好的耐磨、耐寒、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性能及較高的機(jī)械強(qiáng)度[3]。

由于電池箱接插件用于新能源汽車電能輸出位置，需要在隨機(jī)振動環(huán)境下使用，因此要對電池箱接插件外殼進(jìn)行隨機(jī)振動分析，確定電池箱接插件結(jié)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)，驗(yàn)證電池箱接插件殼體的保護(hù)效果。通過模態(tài)分析，能夠得到接插件殼體的各階振型及共振頻率，以此來避免電池箱接插件殼體與電池箱發(fā)生共振[4-5]。其次對電池箱接插件殼體進(jìn)行了隨機(jī)振動PSD（Power Spectral Density）分析，驗(yàn)證電池箱接插件殼體的可靠性。

1 接插件殼體設(shè)計(jì)

接插件殼體由公接插件殼體和母接插件殼體插接組成，母接插件殼體通過螺栓固定在電池箱外部，實(shí)現(xiàn)電信號的導(dǎo)通。電池箱接插件主要包括公接插件殼體、母接插件殼體、橡膠塞、塑料擋件、密封圈、快速插接、拋物密封圈等零件組成。電池箱接插件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1—公接插件殼體；2—母接插件殼體；3—橡膠塞；4—塑料擋件；5—密封圈；6—快速插接；7—拋物密封圈。

1.1 容錯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

接插件在實(shí)際使用過程中為提升工作效率，避免接插件在裝配過程中出現(xiàn)插錯現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了接插件殼體容錯結(jié)構(gòu)，即在公母接插件殼體外側(cè)設(shè)計(jì)凹凸相配合且唯一的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可根據(jù)電池箱接插件需求設(shè)計(jì)多種容錯接插件。

1.2 快速插接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池箱接插件的插接結(jié)構(gòu)包括接線端子的插接、高壓互鎖回路的插接和接插件殼體的插接?？焖俨褰咏Y(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在接插件殼體上，是保證接插件有效工作的結(jié)構(gòu)。為了提升接插件的可靠性和安全性，快速插接結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了一次鎖止和二次鎖止兩種鎖定結(jié)構(gòu)。

一次鎖止結(jié)構(gòu)在公母接插件殼體上互有插接對，插合時(shí)存在斜面滑動，可輕易插合；分離時(shí)需按壓尾部，使頭部插合處翹起，來實(shí)現(xiàn)分離。

二次鎖止結(jié)構(gòu)是在接插件殼體外部安裝一個(gè)鎖止零件，防止一次鎖止結(jié)構(gòu)工作過程中尾部翹起，導(dǎo)致脫離。

2 接插件殼體的模態(tài)分析

2.1 接插件殼體的有限元分析建模

在分析之前，對電池箱接插件殼體的有限元分析模型進(jìn)行簡化，在不影響有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，去掉結(jié)構(gòu)中的某些特性，例如倒角。電池箱接插件殼體模型如圖2所示。

圖2 電池箱接插件模型

將在SolidWorks中創(chuàng)建的接插件殼體三維實(shí)體模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成以四面體為主的網(wǎng)格，其材料為質(zhì)量輕、熱穩(wěn)定性好的PBT（polybutylene terephthalate）工程塑料，材料特性如表1所示。最終有限元模型包括127 289個(gè)節(jié)點(diǎn)，66 556個(gè)單元。

表1 PBT工程塑料特性

材料彈性模量/MPa泊松比密度/(g·cm-3) PBT1 9300.391.53

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于計(jì)算結(jié)構(gòu)或零件在振動環(huán)境下的動力學(xué)特征，也就是它的固有頻率和振型，這些參數(shù)是應(yīng)用于動態(tài)載荷環(huán)境下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。利用模態(tài)分析方法，檢驗(yàn)電池箱接插件殼體的基頻是否與電池箱的基頻重疊或相近，充分考慮接插件殼體的固有頻率，避免因?yàn)楣舱穸a(chǎn)生插接不可靠現(xiàn)象。

分析模態(tài)時(shí)選用坐標(biāo)變換法：替代線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)值與模態(tài)坐標(biāo)值，得到單變量的方程組，分析模態(tài)坐標(biāo)對模態(tài)參數(shù)的影響，從而求得系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[6]。在替換為坐標(biāo)的過程中的變化矩陣稱為模態(tài)矩陣，矩陣的每一列表示模態(tài)振型。

N自由度線性振動系統(tǒng)方程式為：

自由振動時(shí)，系統(tǒng)所受外力為零，即系統(tǒng)激振力列陣()=0。由于接插件外殼結(jié)構(gòu)自身阻尼較小，求解過程中產(chǎn)生的對系統(tǒng)自由振動的頻率和振型的影響較小。在分析中，不考慮阻尼影響，由此推出無阻尼系統(tǒng)振動微分方程為[7]：

設(shè)特解：

其中，φ為自由響應(yīng)幅值列陣。

帶入公式（2）中，得特征方程為：

其中，ω為系統(tǒng)第階模態(tài)的固有頻率。

分析接插件殼體自由模態(tài)的固有頻率和振型的本質(zhì)是對無阻尼系統(tǒng)振動微分方程的廣義特征值進(jìn)行詳細(xì)的求解。無阻尼系統(tǒng)振動微分方程存在非零解的充要條件，即：

對接插件殼體安裝孔進(jìn)行完全約束，仿真得到接插件殼體的前6階固有頻率值如表2所示。其中1階模態(tài)振型如圖3所示[8]。

表2 接插件殼體前6階模態(tài)頻率

階數(shù)123456 頻率/Hz542.67551.35788.28976.261 207.51 312.00

圖3 PBT接插件1階模態(tài)振型

由表2和圖3可知：前6階模態(tài)振型發(fā)生在540 Hz～1 320 Hz頻率間，該接插件殼體的模態(tài)變形主要發(fā)生在快速插接結(jié)構(gòu)處。

3 接插件殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 復(fù)合材料選取

由于該電池箱接插件殼體用于電池箱電壓輸出端，因此要求該電池箱接插件殼體各方面性能優(yōu)異，并且能夠承受比較惡劣的環(huán)境。綜合各方面因素，該電池箱接插件殼體的材料選用原則為：密度低、彈性模量高、強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小，因此該電池箱接插件外殼的材料選擇為ABS（Acryloni- trile Butadiene Styrene）工程塑料。材料特性如表3所示。

表3 ABS工程塑料特性

材料彈性模量/MPa泊松比密度/(g·cm-3) ABS2 0000.3941.05

3.2 接插件殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)接插件殼體的模態(tài)分析結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際確定以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。以原接插件殼體為原型，在快速插接結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置兩條加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋與殼體圓弧處相切，厚度為1 mm，長度為26.3 mm。在一次鎖止結(jié)構(gòu)起支點(diǎn)作用梁處增加其尺寸，長度為5 mm，高度為1.35 mm[9]。優(yōu)化后的ABS有限元接插件殼體模型如圖4所示。

圖4 ABS接插件殼體模型

4 優(yōu)化效果分析

4.1 模態(tài)分析

將ABS接插件殼體模型導(dǎo)入到模態(tài)分析模塊，對全部孔施加完全約束，經(jīng)模態(tài)仿真。ABS接插件殼體1階模態(tài)振型如圖5所示，模態(tài)固有頻率值對比如表4所示。

圖5 ABS接插件1階模態(tài)振型

表4 接插件殼體優(yōu)化前后模態(tài)頻率對比

階數(shù)123456 優(yōu)化前頻率/Hz542.67551.35788.28976.261 207.51 312 優(yōu)化后頻率/Hz661.21680.271 220.91 511.51 606.71 757 提高百分比21.8%23.4%54.9%54.8%33.1%33.9%

由模態(tài)振型可知，經(jīng)優(yōu)化后ABS接插件殼體的前6階振型與原始模型發(fā)生了明顯的變化，在高階模態(tài)振型中，快速插接結(jié)構(gòu)的振動最為明顯。由表4可知，優(yōu)化后接插件殼體的固有頻率值與原殼體相比得到了較大提升。其中，3階振動固有頻率提升最為明顯，提高了54.9%；1階振動固有頻率提升最低，但也有21.8%的提升。

4.2 隨機(jī)振動分析

為了更好地了解改進(jìn)后接插件殼體動力學(xué)性能，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動分析。隨機(jī)振動分析也稱為功率譜密度分析，用于確定結(jié)構(gòu)在隨機(jī)載荷作用下的響應(yīng)，其輸入是功率譜密度函數(shù)。它是一種基于概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的譜分析技術(shù)，因此得到的結(jié)果也具有統(tǒng)計(jì)性。

功率譜密度的表達(dá)式為：

式中：S()為平穩(wěn)隨機(jī)振動的自相關(guān)函數(shù)；為圓頻率。

隨機(jī)振動激勵通過四個(gè)安裝孔作用于接插件殼體。在ANSYS環(huán)境中，依據(jù)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行接插件外殼的隨機(jī)振動分析。[7]隨機(jī)振動中，垂直方向所受影響相對較大，故對Z軸施加載荷進(jìn)行分析；在實(shí)際運(yùn)行過程中，振動頻率一般為10 Hz～1 000 Hz，高于1 000 Hz的振動頻率幾乎不會出現(xiàn)，故在分析過程中將討論低頻范圍內(nèi)振動情況。載荷設(shè)定如下：在接插件殼體安裝孔處施加Z方向的激勵，頻率范圍為10 GHz～1 000 Hz，頻譜關(guān)系依據(jù)GB/T 31467.3《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)：第3部分安全性要求與測試方法》[10]進(jìn)行轉(zhuǎn)化，功率譜密度如表5所示。

表5 Z軸PSD值

頻率/Hz功率譜密度（PSD）/（（m/s2）2/Hz） 1020 556.5 1800.25 3000.25 3600.14 1 0000.14

通過分析，可以得出隨機(jī)振動的三種結(jié)果：位移解、速度解、加速度解。提取電池箱接插件殼體在1σ下的位移、應(yīng)力結(jié)果分布圖，如圖6所示。結(jié)果表明，接插件殼體在1σ下的位移為0.6875×10-2mm，最大位移處為遠(yuǎn)離振動源處。1σ下的應(yīng)力為0.25 MPa，位于電池箱接插件殼體的固定端。

圖6 隨機(jī)振動結(jié)果

5 結(jié)論

為了提高新能源電池箱接插件的易操作性和可靠性，設(shè)計(jì)了此電池箱接插件，對其殼體結(jié)構(gòu)建模并運(yùn)用有限元方法進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果表明影響接插件殼體振動的主要薄弱結(jié)構(gòu)為快速插接結(jié)構(gòu)。

依據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，采取增加加強(qiáng)筋的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并采用ABS材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的ABS接插件殼體比原殼體的低階固有頻率得到較大提升，該優(yōu)化方案能有效降低接插件殼體低頻共振現(xiàn)象的發(fā)生。

隨機(jī)振動分析得出接插件殼體在特定加速度功率譜密度下的位移解及應(yīng)力解，結(jié)果顯示：電池箱接插件殼體在1σ下的位移為0.687 5×10-2mm，最大位移處為遠(yuǎn)離振動源處。1σ下的應(yīng)力為0.25 MPa，位于電池箱接插件殼體的固定端，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，結(jié)構(gòu)安全可靠。

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Research on Fault-tolerant Structure Design and Modeling of New Energy Battery Box Connector

HAO Chengxu, HONG Zhanyong, WANG Rui

( 1.Institute of Industry and Equipment Technology, Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009;2.Provincial Key Laboratory of Infectious Manufacturing and Equipment for Aviation Structural Parts, Anhui Hefei 230009 )

In order to improve the operability and reliability of the new energy battery box connector,a battery box connector containing fault-tolerant structure and rapid plug-in structure was designed for the current structural defects of the connector, and the modal analysis method was used to optimize the structure of the connector. Through three-dimensional modeling and importing finite element analysis software, the modal analysis of the battery box connector structure is carried out to determine its natural frequency and vibration mode. According to the analysis results, a structural optimization scheme based on ABS material is proposed, and the dynamic performance of the optimized connector is verified through modal analysis and random vibration analysis. The results show that after optimization, the natural frequency of the first 6 modes of the connector is increased by at least 21.8%, and the maximum displacement point of random vibration is far away from the vibration source. The analysis results verify that the connector structure design is reasonable, and at the same time has certain guiding significance for the design and dynamics simulation of similar connectors.

New energy;Connector;Fault-tolerant structure;Modal analysis

U469.7

B

1671-7988(2021)20-01-05

U469.7

B

1671-7988(2021)20-01-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.001

郝成旭（1995—），男，碩士，合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，研究方向：儀器及設(shè)備精度保障。基金項(xiàng)目：安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（1804a09020024）。