陳 躍，李 楠，王曉松，張 杭

車用動力電池箱體緊固扭矩衰減特性的仿真與實(shí)驗分析

陳 躍，李 楠*，王曉松，張 杭

（國聯(lián)汽車動力電池研究院有限責(zé)任公司，北京 101407）

螺栓連接是電池包的一種重要連接方式，由于振動影響可能會產(chǎn)生松動，其連接可靠性影響電池系統(tǒng)的性能和安全。文章主要采用模擬仿真和試驗測試方式，研究電池包上下箱體之間的螺栓連接扭矩衰減情況，通過仿真計算電池包的模態(tài)振型，并分析螺栓受力分布，參照《電池包及系統(tǒng)安全要求及試驗方法》（GB 31467.3－2015）中對電池系統(tǒng)耐振動性的要求，開展電池包整體隨機(jī)振動試驗，對比振動前、振動1 h和振動3 h后，電池包上下箱體螺栓的扭矩衰減相對值及其分布規(guī)律。研究結(jié)果顯示，隨機(jī)振動1 h后，螺栓扭矩衰減6%左右，振動3 h后，螺栓扭矩衰減均值衰減17%左右，且電池包結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響螺栓扭矩衰減分布，在有固定吊耳的位置區(qū)域，扭矩衰減較小，而在缺乏固定吊耳的區(qū)域，螺栓扭矩衰減較大，其為電池系統(tǒng)螺栓連接可靠性提供參考依據(jù)。

箱體緊固件；扭矩衰減特性；車用動力電池；隨機(jī)振動試驗

近年來，新能源汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用高比能大容量動力電池系統(tǒng)，其安全性能和耐久性受到越來越多的關(guān)注，而電池箱體緊固對其性能和耐久性具有關(guān)鍵影響。

電池系統(tǒng)零部件眾多，包括模組、上下箱體、高低壓電氣元件、冷卻系統(tǒng)以及固定支架等等，這些零部件有多種連接方式，其中螺栓連接應(yīng)用廣泛，例如：上下箱體之間的連接、模組與下箱體之間的連接、電氣元件與固定支架的連接等等。螺栓擰緊扭矩的大小，決定了零件間的連接強(qiáng)度，而緊固件的松動極可能引起動力電池系統(tǒng)的故障或者失效[1]等安全問題。尤其上下箱體之間的連接，還起到確保密閉性的作用，為了確保電氣安全，電池箱體內(nèi)不能進(jìn)塵進(jìn)水，且需要達(dá)到IP67[2]。電池包長、寬尺寸一般在1 m以上，上下箱體之間的法蘭面接觸屬于大平面接觸，利用密封圈（硅膠泡棉）和螺栓擰緊配合實(shí)現(xiàn)密封。這種彈性材料一般會通過降低擰緊速度或者使用“擰緊－松半圈－擰緊”的方式，來保證殘余扭矩達(dá)到規(guī)定要求。對擰緊順序也有要求，為了能夠保證螺栓擰緊后，整個平面內(nèi)幾十個螺栓承受的應(yīng)力均勻分布[3]，擰緊過程中應(yīng)采用左右對稱交替擰緊的順序。扭矩值應(yīng)按照螺栓扭矩標(biāo)準(zhǔn)《汽車用螺紋緊固件緊固扭矩》（QC/T 518－2007）中規(guī)定。

國標(biāo)《電池包及系統(tǒng)安全要求及試驗方法》（GB 31467.3－2015）規(guī)定了電池包海水浸泡試驗要求，即將整包淹沒在3.5%NaCl溶液中2 h，并持續(xù)觀察，電池包無著火或爆炸現(xiàn)象。GB 31467.3－2015又增加了振動后電池包海水浸泡的試驗要求，即電池包經(jīng)過國標(biāo)的隨機(jī)振動后，再進(jìn)行海水浸泡試驗，仍需滿足不起火不爆炸、無泄漏或外殼破損、起火或爆炸現(xiàn)象，其電池絕緣電阻應(yīng)不小于100 Ω/V。因此，提高螺栓等緊固件在動力電池系統(tǒng)上的可靠性連接非常關(guān)鍵，文章將研究在電池包隨機(jī)振動前后，其上下箱體的若干緊固螺栓扭矩的衰減變化及其分布規(guī)律。

1 緊固件扭矩及松動分析

解慧等[4]從螺栓嚙合表面摩擦系數(shù)變化入手，研究了振動狀態(tài)下螺栓的松動行為，結(jié)果顯示摩擦因數(shù)是引起松動階段變化的主要原因。張宇等[5]開展了螺栓連接仿真計算，提出以 beam 單元軸向應(yīng)力功率譜密度均方根（Root Mean Square, RMS）值作為電池包螺栓連接振動松動評估參數(shù)，并結(jié)合某電池包工程實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)，電池包螺栓振動松動風(fēng)險高于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞風(fēng)險。力神動力電池系統(tǒng)有限公司黃衛(wèi)峰等[6]研究了緊固件在動力電池系統(tǒng)上的可靠性設(shè)計，提出了在動力電池系統(tǒng)不同位置的安裝注意事項。朱光宇等[7]評估了安裝于車輛縱梁上充電機(jī)連接螺栓的振動耐久性和可靠性，結(jié)果顯示不同等級的螺栓組合振動后衰減率不同，螺栓等級強(qiáng)度越高，振后預(yù)緊力的衰減率更大。徐佳寧等[8]基于Simscape搭建了動力電池串聯(lián)模型，模擬仿真電池螺栓松動后，引起的電池內(nèi)阻變化和電池電壓輸出故障。李海蛟等[9]探究了轉(zhuǎn)向器螺栓緊固力、摩擦系數(shù)與擰緊力矩的關(guān)系，并指出調(diào)節(jié)螺栓摩擦系數(shù)、擰緊力矩等可改善防松效果。王開平等[10]研究指出沖擊載荷下在材料松動期內(nèi)沖擊載荷幅值越小、螺紋初始間隙越小，螺栓松動越不容易發(fā)生。劉光輝等[11]分析了輸電鐵塔螺栓連接松動問題，隨著振動幅值增大，螺栓殘余預(yù)緊力顯著下降。

2 電池包模態(tài)仿真

2.1 螺栓位置及編號

考慮上下箱支撐面摩擦系數(shù)和螺栓摩擦系數(shù)，按照QC/T 518—2007，需保證扭矩值為9.5～10.0 Nm。本案例中，電池包上下箱體之間的連接采用8.8級M6外六角螺栓，其54個螺母鑲嵌在下箱體上，并成左右對稱分布。電池包前端有2個與車體固定用的吊耳，且左右還各有4個吊耳，后端無吊耳，如圖1所示。螺栓編號為1～54號，其從電池箱體的后端開始，往前端逐漸變大，如圖2所示。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)

圖2 螺栓編碼示意圖

2.2 電池包仿真

利用ANSYS軟件開展電池包模態(tài)仿真計算，并在電池包的所有固定吊耳處施加全位移約束，同時分析模型包括電池包主要組件（上下箱體、模組、固定支架、熱管理系統(tǒng)），其上下箱體模型用4×4殼網(wǎng)格劃分，模組用六面體網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

從模態(tài)振型圖3中可以分析出，在1階模態(tài)時，電池包上殼的振幅變形較大，基本呈左右對稱，并位于中央偏前端位置；在2階模態(tài)時，電池包后端的振動幅度較大，電池包前端的振動幅度較小，其原因在于電池包后端放置了兩層模組，此處的自身重力較大；電池包3階振型和4階振型中，振幅較大位置也都位于電池包后端或上蓋中央，因此，這些位置的螺栓受力也會較大，容易發(fā)生較大的扭矩衰減。

圖3 電池包模態(tài)仿真分析

3 振動前后螺栓扭矩測量與分析

3.1 正弦振動試驗

按照GB/T 31467.3－2015 第1號修改單的測試要求，采用加速測試方式分別對電池包做了1 h和3 h的正弦振動試驗，其具體振動方向為軸，將測試對象安裝在振動臺（如圖4所示）上，電池包進(jìn)行15 min正弦波振動，振動頻率從7 Hz增加至50 Hz再回至7 Hz，此循環(huán)在1 h內(nèi)循環(huán)4次，3 h中重復(fù)12次。振動頻率和加速度的關(guān)系如表1所示，測量振動前后上下箱體的螺栓扭矩值變化。

圖4 電池包振動試驗臺

表1 頻率與加速度

試驗序號頻率/Hz加速度/(m/s2) 17～1810 218～3010～2 330～502

3.2 振動前后扭矩值分析

電池包經(jīng)過1 h正弦振動前后，上下箱體連接的54個螺栓扭矩值測量結(jié)果如圖5所示。螺栓扭矩值的測量方式為利用數(shù)顯扭矩扳手，使用擰緊法進(jìn)行扭矩測量。

圖5 電池箱振動1 h前后扭矩

電池包經(jīng)過3 h正弦振動前后，上下箱體連接的54個螺栓的扭矩值測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 電池箱振動3 h前后扭矩

測試結(jié)果表明，振動前螺栓平均扭矩值為 10 Nm，振動1 h后，大部分螺栓的扭矩稍有衰減但仍保持在9 Nm以上，衰減幅度很小，其平均扭矩值為9.4 Nm。振動3 h后，螺栓的扭矩衰減加速，最低則衰減到了6.3 Nm左右，平均值衰減為8.6 Nm。由此可以看出，在長時間振動的作用下，容易造成緊固件松動。

計算電池包振動1 h和振動3 h前后，每個螺栓扭矩的衰減率并進(jìn)行對比，如圖7所示，其中虛線為添加的線性趨勢線。

振動1 h和振動3 h后，螺栓扭矩衰減的幅度不同。從圖7中可見，振動1 h后，扭矩衰減均值在6%左右，且超過2/3的螺栓扭矩衰減率在10%以內(nèi)，全部螺栓的扭矩衰減率在20%以內(nèi)；振動 3 h后，扭矩衰減均值從6%增加到17%左右，有超過10個螺栓的扭矩衰減率甚至超過30%。

圖7 2種振動時間衰減率對比

另外，從圖7中可以發(fā)現(xiàn)編號較大（40～54號）的螺栓，衰減幅度較小。原因是這些編號較大的螺栓位于電池包前端，如圖2所示，此位置放置有4個固定吊耳，因此，附近區(qū)域的振幅較小且螺栓分布較密，所承受應(yīng)力峰值較小，故而螺栓的預(yù)緊力衰減較小。這一結(jié)果也與電池系統(tǒng)模態(tài)仿真計算的結(jié)果相匹配。

為防止此種情況發(fā)生，需優(yōu)化緊固件的防松設(shè)計[12]，如可在螺帽下加彈簧墊，并設(shè)計合理的螺栓分布密度以及擰緊順序，從而降低螺栓扭矩的衰減率，對電池系統(tǒng)的螺栓連接可靠性有非常重要的意義。

4 結(jié)論

本文主要論述了電池系統(tǒng)上下箱緊固要求，緊固件在動力電池系統(tǒng)上的擰緊規(guī)范，并開展了電池包隨機(jī)振動試驗，測試了試驗前后上下箱螺栓的緊固扭矩的變化，對比分析了相應(yīng)的扭矩衰減情況，隨機(jī)振動1 h后，螺栓扭矩衰減6%左右；振動3 h后，螺栓扭矩衰減均值衰減17%左右，且電池包結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響螺栓扭矩衰減分布，在有固定吊耳的位置區(qū)域，扭矩衰減較小，而在缺乏固定吊耳的區(qū)域，螺栓扭矩衰減較大。實(shí)測結(jié)果與仿真分析預(yù)測情況相一致，即通過仿真分析了解電池系統(tǒng)的振型狀態(tài)，判斷螺栓受力分布趨勢，合理設(shè)計螺栓的分布密度，并結(jié)合實(shí)際連接過程中在螺帽下加彈簧墊等，可降低螺栓扭矩的衰減率，從而為動力電池系統(tǒng)緊固件的防松設(shè)計提供了指導(dǎo)。

[1] 熊瑞.動力電池外短路故障熱-力影響與分析[J].機(jī)械工程學(xué)報,2019,55(2):115-125.

[2] 全國電氣安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.外殼防護(hù)等級(IP代碼):GB 4208－2008/IEC 60529－2001[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[3] 魏景超.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)新型緊固件連接強(qiáng)度與失效機(jī)理[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2014.

[4] 解慧,王峰會,張凱,等.振動狀態(tài)下螺栓松動行為及原因[J].現(xiàn)代機(jī)械,2017(3):44-47.

[5] 張宇,楊家友,陳德欣.電動車動力電池包螺栓連接振動松動研究[J].噪聲與振動控制,2019,39(5):50-55.

[6] 黃衛(wèi)峰,王楠,趙曉軍,等.緊固件在動力電池系統(tǒng)上的可靠性設(shè)計與扭矩研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2020,45 (3):3-4.

[7] 朱光宇,鄭保仲.隨機(jī)振動螺栓松動數(shù)值仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2018(1):239-241.

[8] 徐佳寧,梁棟濱,魏國,等.串聯(lián)電池組接觸電阻故障診斷分析[J].電工技術(shù)學(xué)報,2017,32(18):106-112.

[9] 李海蛟,居剛,章建國,等.某特種車轉(zhuǎn)向器螺栓松動實(shí)例分析與改進(jìn)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2021,46(22):75-77.

[10] 王開平,張明遠(yuǎn),閆明,等.沖擊載荷下材料松動期內(nèi)螺栓松動影響因素研究[J].振動與沖擊,2020,39(22): 35-40.

[11] 劉光輝,伍川,呂中賓,等.輸電鐵塔螺栓緊固特性影響因素試驗研究[J].現(xiàn)代制造工程,2020(3):84-91.

[12] 魏兵.實(shí)用緊固件手冊[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2018.

Simulation and Experimental Analysis of Tightening Torque Attenuation Characteristics of the Vehicle PowerBattery Pack

CHEN Yue, LI Nan*, WANG Xiaosong, ZHANG Hang

( China Automotive Battery Research Institute Company Limited, Beijing 101407, China )

Bolted connection is an important connection mode of battery pack,and due to the influence of vibration, it may be loose, and its connection reliability affects the performance and safety of battery system.This paper mainly adopts the simulation and test methods to study the torque attenuation of bolt connection between the upper and lower boxes of battery pack, calculates the modal shape of battery pack through simulation, and analyzes the bolt force distribution.According to the requirements of(GB 31467.3－2015), the whole random vibration test of battery pack is carried out to compare the relative torque attenuation values and distribution rules of bolts in upper and lower case of battery pack before vibration, 1h vibration and 3h vibration.The results show that the bolt torque attenuation is about 6% after 1h random vibration, and about 17% after 3h vibration,and moreover, the structural characteristics of the battery pack affect the bolt torque attenuation distribution.In the region with fixed lug, the bolt torque attenuation is small, while in the region without fixed lug, the bolt torque attenuation is large,which provides reference for the reliability of bolt connection of battery system.

Box fastener;Torque attenuation characteristics;Vehicle power battery;Random vibration text

U469.7

A

1671-7988(2023)12-01-05

陳躍（1984－），男，博士，高級工程師，研究方向為電池系統(tǒng)設(shè)計，E-mail:chenyue@glabat.com。

李楠（1990－），男，碩士，工程師，研究方向為新能源電池系統(tǒng)，E-mail:408038473@qq.com。

富鋰錳基電池全壽命周期產(chǎn)氣機(jī)制的原位探究及其改性措施（22005264）。