白聰兒,汪小芳,黃文強,彭憲州,劉 勇
(1.浙江運達(dá)風(fēng)電股份有限公司,杭州 310012;2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點實驗室,杭州 310012)
電池儲能系統(tǒng)是未來電力系統(tǒng)中提升新能源發(fā)電接入和消納能力的重要資源[1],近年來,隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出,相關(guān)技術(shù)得到廣泛關(guān)注與飛速發(fā)展。電池包作為電池儲能系統(tǒng)的基本集成單元,是一個機械場-電場-熱場耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[2],其結(jié)構(gòu)安全性同時影響著多個物理系統(tǒng)的可靠性。儲能電池包在應(yīng)用過程中無需移動,幾乎不承受外部載荷,因此,電池包的運輸過程成為結(jié)構(gòu)安全性分析關(guān)注的重點。評估電池包在振動、沖擊條件下的力學(xué)響應(yīng)特性并進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,對電池包乃至電池儲能系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要的意義。
現(xiàn)有研究中,針對儲能電池包在運輸條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析相對較少,車用動力電池包由于具有相近的機械結(jié)構(gòu)與運行工況,能夠為相關(guān)研究提供參考。目前,針對電池包結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的研究主要集中在以下幾個方面:模態(tài)分析,隨機振動響應(yīng)分析,沖擊、擠壓、跌落、碰撞等工況分析與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。以上研究中載荷條件通?;趪覙?biāo)準(zhǔn)[3]或企業(yè)實測數(shù)據(jù),研究方法差異主要來源于模型的精細(xì)化程度,更具體地,在于電池及連接結(jié)構(gòu)的建模方法。多數(shù)研究將電池單體或電池模組簡化為質(zhì)量點,卞燁峰等[4]、Kim 等[5]采用質(zhì)量點或剛體模擬電池,對電池包進行了沖擊工況與隨機振動分析;程必良[6]簡化了電池之間的連接結(jié)構(gòu),采用均一化方法對電池模組進行實體單元建模,并開展了電池包結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化工作。上述研究關(guān)注的重點大多是電池包箱體及其安裝結(jié)構(gòu),為模擬電池包內(nèi)部各部件之間力的傳遞關(guān)系,一些學(xué)者對電池及其連接部位進行了精細(xì)化建模。劉成武等[7]、歐陽金華[8]、黃培鑫等[9]、蘭鳳崇等[10]將電池簡化為均質(zhì)實體,采用實體單元對電池建模并進行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計;劉家員[11]建立了新能源車動力電池包精細(xì)化有限元模型,采用動力學(xué)方法開展了擠壓、跌落、沖擊、碰撞等分析;蘭鳳崇等[2]的研究表明考慮電池等效力學(xué)參數(shù)和接觸條件的模型準(zhǔn)確度更高。這些研究為電池包的結(jié)構(gòu)安全性分析提供了有益的參考,然而,由于車用動力電池包與儲能電池包在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、安裝邊界等方面存在差異,結(jié)構(gòu)仿真時需要關(guān)注的工況與危險部位有所不同;此外,現(xiàn)有研究中模態(tài)分析對象通常是箱體等結(jié)構(gòu)件,尤其是測試中幾乎不考慮電池模組振型,難以對模型形成有效的驗證。
為更加全面地探索儲能電池包在運輸條件下結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性,本文建立了包含電池單體及其連接結(jié)構(gòu)的電池包精細(xì)化有限元模型,針對運輸工況條件開展了模態(tài)與極限工況下的強度分析,進一步進行了測試驗證與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
某型儲能電池包結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要由下箱體、電芯、散熱間隔板、鋁巴、端蓋、端板組件等部件裝配而成。11 塊電芯串聯(lián)成一個電池模組,在電極處通過鋁巴連接,電芯側(cè)面布置散熱間隔板,與電芯通過膠粘連接;一個電池包含兩個電池模組,模組之間串聯(lián),兩端固定在端蓋上;下箱體組件中含多個加強板,通過點焊與焊縫固定在箱體上;模組布置在下箱體組件上,在電芯底部通過膠粘連接;端板與下箱體組件采用點焊固定,端板、端蓋、下箱體組件在垂向通過螺栓固定;支撐框架為電池包運輸工裝,布置在下箱體兩側(cè)。
1.2.1 整體網(wǎng)格模型
圖2 電池包有限元模型
電池包有限元模型如圖2 所示,定義x、y、z方向分別為橫向、縱向、垂向。對不同部件分別采用實體單元或殼單元建模,共包含2 300 054 個單元。主要部件單元類型與材料屬性如表1 所示,其中電芯簡化為均質(zhì)實體,采用六面體單元建模,等效彈性模量來源于參考文獻[2],等效密度根據(jù)單個電芯質(zhì)量與體積計算獲得。
表1 單元類型與材料屬性
1.2.2 連接與接觸建模
根據(jù)各部件實際裝配和連接關(guān)系建立連接與接觸模型。對點焊、膠粘、焊縫結(jié)構(gòu),在焊接與膠粘位置生成實體單元,然后通過RBE2、RBE3 單元與被連接件相連。其中焊點實體單元直徑與實際尺寸一致。各連接結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。
圖3 連接模型
電芯與端蓋、螺栓頭與端板、端蓋、下箱體之間建立綁定接觸;下箱體底部與支撐框架之間建立摩擦接觸;對涉及殼單元的接觸,在定義接觸屬性時考慮殼單元厚度。
1.2.3 邊界條件
如圖2和圖4所示,根據(jù)電池包在運輸過程中的實際邊界條件,約束端板4處、支撐框架4處節(jié)點的6個方向自由度。
圖4 模型約束位置
通過開展模態(tài)分析與掃頻試驗,研究電池包振動特性,并驗證建模與參數(shù)設(shè)置合理性。
基于OptiStruct 軟件,采用Lanczos 法開展模態(tài)分析,前3階固有頻率與模態(tài)振型如表2所示。由表可知,電池包前3 階模態(tài)主要為電池模組振動,振型分別為模組橫向、垂向與扭轉(zhuǎn),其中第一階模態(tài)固有頻率為15.3 Hz。
表2 電池包前3階固有頻率
在振動臺上開展掃頻試驗,電池包安裝結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,與實際運輸條件一致;根據(jù)模態(tài)計算結(jié)果,將3 個加速度傳感器分別布置在一個電池模組中部內(nèi)、外側(cè)和尾端,如圖5(b)所示。在10~200 Hz 范圍內(nèi),分別對橫向、縱向、垂向進行對數(shù)掃頻,通過測試加速度峰值獲取電池包共振頻率。
圖5 試驗現(xiàn)場布置
通過掃頻試驗得到的各向共振頻率如表3 所示,由表可知,橫向、縱向測試頻率接近1、3 階仿真頻率,垂向測試頻率接近2、3 階仿真頻率,測試結(jié)果與模態(tài)振型匹配,各階頻率偏差不超過10%。試驗結(jié)果表明建模方法與輸入?yún)?shù)取值合理。
表3 電池包各向共振頻率
車輛為低頻結(jié)構(gòu),所關(guān)心的頻率范圍為20 Hz 以內(nèi)[12],根據(jù)參考文獻[8],乘用車的一般固有頻率為15~20 Hz,為避免電池包在運輸過程中發(fā)生共振,按照工程經(jīng)驗,電池包固有頻率應(yīng)高于20 Hz 且避開10%,即22 Hz。因此,有必要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對電池包結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,以滿足固有頻率設(shè)計要求。
針對運輸過程中的上下顛簸、急剎車和急轉(zhuǎn)彎3 種極限工況條件,對電池包進行強度分析。
基于OptiStruct軟件,采用靜力學(xué)分析方法,分別對3個方向施加加速度場,將加速度慣性力的最大幅值作為靜態(tài)載荷加載于結(jié)構(gòu)上,模擬沖擊過程[13]。根據(jù)行業(yè)文獻資料與企業(yè)經(jīng)驗性數(shù)據(jù),各方向極限加速度如表4所示。
表4 各方向極限加速度
以急轉(zhuǎn)彎工況(x=2g)為例,電池包位移云圖如圖6所示,圖7給出電池包各主要部件強度計算結(jié)果。由圖可知,鋁巴、散熱間隔板、端蓋、膠粘結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較小,而下箱體組件、端板應(yīng)力遠(yuǎn)超材料強度極限。
圖6 電池包位移云圖(工況:x=2g)
圖7 各部件強度計算結(jié)果(工況:x=2g)
結(jié)合圖6與圖7可知,運輸過程中電池包在前端(+y)通過端板與支撐框架固定,存在位移約束,而尾端無限位結(jié)構(gòu),在加速度場作用下將出現(xiàn)尾部大位移,使得端板與下箱體連接部位應(yīng)力過大。
極限工況其余方向計算結(jié)果與急轉(zhuǎn)彎工況相近,本文不作具體展示。根據(jù)以上計算結(jié)果,有必要對電池包結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,以滿足極限工況強度要求。
根據(jù)以上分析結(jié)果,對電池包結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計:將端板上方兩側(cè)翻邊補充完整,增加承載材料體積,去除拐角應(yīng)力集中區(qū)域;去除端板幾字形加強板,改為固定區(qū)域附近的平面補強板;在支撐框架尾部增加限位結(jié)構(gòu),其中橫向、縱向設(shè)計頂絲結(jié)構(gòu),垂向安裝與下箱體的連接螺栓,在模型中以螺栓截面位置的綁定接觸代替。電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖如圖8所示。
圖8 電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化
對優(yōu)化后的電池包進行模態(tài)分析與6 個極限工況分析,前3 階模態(tài)頻率與各部件極限應(yīng)力分別如表5~6 所示。端板和下箱體組件極限應(yīng)力云圖如圖9所示。
表5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)前3階固有頻率
表6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)極限工況強度計算結(jié)果
圖9 極限應(yīng)力云圖
由表5 可知,電池包前3 階固有頻率增大,其中第1階固有頻率提高到23.4 Hz,滿足工程設(shè)計要求。由表6與圖9 可知,端板組件和下箱體組件應(yīng)力分布明顯改善,端板與下箱體組件的極限應(yīng)力大幅下降,分別為247.9 MPa 與321.2 MPa,出現(xiàn)在y=2g和z=-3g工況,低于材料抗拉強度,滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。
本文基于OptiStruct建立了儲能電池包精細(xì)化有限元模型,針對運輸條件開展了模態(tài)與極限工況分析,并進行了模態(tài)測試驗證與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究結(jié)果如下。
(1)電池包前3 階模態(tài)主要為電池模組振動,振型分別為模組橫向、垂向與扭轉(zhuǎn);掃頻測試結(jié)果與模態(tài)振型匹配,各階頻率偏差不超過10%,表明建模方法與輸入?yún)?shù)取值合理。
(2)極限工況下,電池包應(yīng)力集中主要在端板與下箱體連接部位,其余部件應(yīng)力水平較低。
(3)優(yōu)化設(shè)計后,電池包前3 階固有頻率提高,應(yīng)力大幅下降,滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。優(yōu)化方法對儲能電池包在運輸條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。
本文所采用的分析和優(yōu)化方法對儲能電池包在運輸條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義,后續(xù)可開展電池包在輕量化設(shè)計方面的研究。