付靜江

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院）

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展突飛猛進，人民生活水平得到了質(zhì)的提升，汽車的保有量隨之暴增，而這也使得能源枯竭和環(huán)境惡化等嚴重問題日益凸顯出來，成為我國發(fā)展經(jīng)濟道路上的重大障礙之一[1-2]。電能作為一種綠色、高效的清潔能源，能夠一定程度上緩解此類問題。研究表明，在各種新能源汽車中，純電動車比其他新能源汽車的發(fā)展?jié)摿γ黠@要好[3]。動力電池包作為純電動車的動力來源，其安全性一直是各大汽車企業(yè)關(guān)心的重點。近幾年的電動汽車交通事故報道中，絕大部分事故的起因與電池包的結(jié)構(gòu)安全性有關(guān)。

目前，國內(nèi)外的研究人員主要是從更換優(yōu)質(zhì)的材料、使用先進的加工工藝以及改變結(jié)構(gòu)形狀等方法來優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)以達到安全標準[4-8]。由于有限元仿真技術(shù)具有高效率、低成本的優(yōu)點，所以現(xiàn)在電池包的研究主要是以有限元仿真分析為主要技術(shù)手段，形成了一套動力電池包有限元仿真分析方法，并通過試驗驗證了方法的有效性。

本文以某款純電動車的動力電池包為研究對象，通過CATIA 幾何建模軟件對該動力電池包進行結(jié)構(gòu)簡化。根據(jù)整車有限元建模標準，通過HyperMesh 有限元建模軟件建立動力電池包的有限元模型，并進行靜動態(tài)性能分析，結(jié)果表明，在3 種典型靜態(tài)載荷工況下，電池包的最大應(yīng)力值和最大位移量在安全范圍內(nèi)。電池包的第一階固有頻率高于該車的激勵頻率，該電池包能夠滿足安全性能要求。

1 動力電池包有限元模型的建立

本文所研究的動力電池包主要由電池模組、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、動力電池管系統(tǒng)等組成。由于各系統(tǒng)中存在如電線、繼電器、連接件等許多零部件，這些零部件不但不能提高計算精度，反而會增加有限元建模時間，所以在建立有限元模型之前，需要在CATIA 軟件中將此類零部件進行刪除。電池模組由于其內(nèi)部電池單體的復(fù)雜性，需對其進行均質(zhì)化處理，本文用簡單實體幾何將其代替。簡化后的動力電池包幾何模型如圖1 所示。

圖1 動力電池包簡化幾何模型Fig.1 Power battery pack simplified geometry model

將簡化后的動力電池包幾何模型導(dǎo)入到HyperMesh 前處理軟件進行幾何清理、網(wǎng)格劃分、建立連接、賦予材料屬性。電池包外殼體的材料為AL-S-5182 鋁合金，楊氏模量為7×104MPa,泊松比為0.32，密度為2.8×10-9kg/m3，屈服極限為240 MPa。劃分的動力電池包有限元模型如圖2 所示，共有821 131 個節(jié)點，886 216 個單元，單元尺寸為5 mm。

圖2 動力電池包有限元模型Fig.2 Finite element model of power battery pack

2 動力電池包靜態(tài)性能分析

在有限元分析中，靜力學(xué)分析是運用最基本也是最廣泛的一類分析，主要用于研究結(jié)構(gòu)在載荷不變時的響應(yīng)情況，通過靜力學(xué)分析得到的強剛度結(jié)果可以檢驗結(jié)構(gòu)是否存在失效的可能，方便后期對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 靜態(tài)分析工況的選取

純電動車在路面行駛的過程中受載情況是非常復(fù)雜多變的，要想將受載情況精確地模擬出來不太現(xiàn)實。為了能夠更好地表現(xiàn)出動力電池包的應(yīng)力分布情況和位移變化情況，通過查閱文獻可知,動力電池包在顛簸路面、急剎車、急轉(zhuǎn)彎等工況下的受載情況較為惡劣[9-10]。本文定義了顛簸路面、顛簸路面急轉(zhuǎn)彎、顛簸路面急剎車3 種工況對動力電池包進行研究分析，各工況的加載情況如表1 所示。

表1 動力電池包在各工況下的加載情況（g=9.8 m/s2）Tab.1 Loading condition of power battery pack under various working conditions

2.2 靜態(tài)分析的計算與結(jié)果

在HyperMesh 中將建立好的動力電池包有限元模型在靜態(tài)分析的3 種工況下進行載荷約束、工況以及控制卡片的設(shè)置，利用OptiStruct 求解器進行求解計算，將計算得到的應(yīng)力和位移結(jié)果以云圖形式在HyperView 中展現(xiàn)，分別如圖3—圖8 所示。動力電池包在各工況下的最大應(yīng)力值、最大位移量以及其所處位置如表2 所示。

圖3 顛簸路面工況下應(yīng)力云圖Fig.3 Stress cloud diagram under bumpy road conditions

圖4 顛簸路面工況下位移云圖Fig.4 Displacement cloud diagram under bumpy road conditions

圖5 顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況下應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud diagram under sharp turning condition on bumpy road

圖6 顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況下位移云圖Fig.6 Displacement cloud diagram under sharp turning condition on bumpy road

圖7 顛簸路面急剎車工況下應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud diagram under abrupt braking condition on bumpy road

圖8 顛簸路面急剎車工況下位移云圖Fig.8 Displacement cloud diagram under abrupt braking condition on bumpy road

表2 動力電池包在各工況下的最大應(yīng)力值和最大位移量Tab.2 Maximum stress and maximum displacement of power battery pack under various working conditions

由表2 可知，在顛簸路面、顛簸路面急轉(zhuǎn)彎、顛簸路面急剎車這3 種工況下，動力電池包的最大應(yīng)力值分別為37.29，41.97，37.79 MPa，皆小于所處位置結(jié)構(gòu)件的材料屈服極限，處于安全范圍內(nèi)；最大位移量分別為0.72，0.72，0.72 mm，處于上殼體與電池模組的安全間距范圍內(nèi)，滿足安全性能要求。

3 動力電池包動態(tài)性能分析

本文應(yīng)用模態(tài)分析法對動力電池包的動態(tài)性能進行分析。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，通過模態(tài)分析求得的固有頻率，可以檢驗結(jié)構(gòu)是否存在共振的可能，以便后期對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，從而使固有頻率避開產(chǎn)生共振的激勵頻率，延長結(jié)構(gòu)使用壽命。模態(tài)分析分為自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析。由于該動力電池包是通過螺栓固定在純電動車底盤上，因此本文將約束動力電池包周圍的螺栓孔的6 個自由度，使用約束模態(tài)分析來研究前6 階模態(tài)的固有頻率和振型。

3.1 模態(tài)分析的計算與結(jié)果

在HyperMesh 中將建立好的動力電池包有限元模型在模態(tài)分析的工況下進行約束、工況以及控制卡片的設(shè)置，并利用OptiStruct 求解器進行求解。計算得到的前6 階固有頻率和振型將在HyperView 中呈現(xiàn)，其中振型將以云圖的形式展現(xiàn)。模態(tài)分析結(jié)果分別如表3 與圖9—圖14 所示。

表3 動力電池包前6 階固有頻率與振型Tab.3 The first six natural frequencies and vibration mode of power battery pack

圖9 1 階振型圖Fig.9 The first-order vibration mode diagram

圖10 2 階振型圖Fig.10 The second-order vibration mode diagram

圖11 3 階振型圖Fig.11 The third-order vibration mode diagram

圖12 4 階振型圖Fig.12 The fourth-order vibration mode diagram

圖13 5 階振型圖Fig.13 The fifth-order vibration mode diagram

圖14 6 階振型圖Fig.14 The sixth-order vibration mode diagram

通過查閱文獻可知，當(dāng)純電動車在平坦路面以低于100 km/h 的速度行駛時，其激勵頻率一般在21 Hz 左右[11]。當(dāng)動力電池包的固有頻率低于該車的激勵頻率時，電池包可能會出現(xiàn)共振，進而引起結(jié)構(gòu)疲勞失效。由表3 可知，動力電池包每一階的固有頻率皆遠遠高于激勵頻率，不會出現(xiàn)共振的現(xiàn)象，滿足安全性能要求。

4 結(jié)論

本文采用有限元仿真技術(shù)，對某款純電動車的動力電池進行靜動態(tài)性能分析，結(jié)果表明，在3 種典型的靜載荷工況下，該電池包的最大應(yīng)力值皆小于材料的屈服極限，滿足強度要求，最大位移量也都小于外殼體到模組的距離，滿足剛度要求。同時其第1 階固有頻率遠遠高于該車的激勵頻率，因此，該電池包能夠滿足安全性能要求。但是由于動力電池包的質(zhì)量過大，會使得該車的行駛里程不夠理想，所以還需對其進行進一步的研究，以期在滿足安全性能要求的同時，能夠使其輕量化。