基于FEM的電動汽車快換電池箱模態(tài)分析與優(yōu)化

儲 毅，劉華鋒，趙明宇，王 剛，路致遠(yuǎn)

(中國電力科學(xué)研究院 南京分院，南京 210061)

0 引言

電動汽車快換動力電池箱是應(yīng)對現(xiàn)有電動汽車?yán)m(xù)航時間短、充電時間長而出現(xiàn)的電動汽車運(yùn)行模式?？鞊Q動力電池箱是電動汽車動力電池的載體，包括整體框架、電池、BMS系統(tǒng)、連接器和線纜組成?？鞊Q動力電池箱起到固定電池的作用，并在電動汽車運(yùn)行過程中為電池提供良好的運(yùn)行環(huán)境。由于快換動力電池箱隨著電動汽車一同運(yùn)行，所以必須要考慮快換動力電池箱的振動特性。避免設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)電池箱振動過大導(dǎo)致的電池及相關(guān)附件的損壞。

針對電動汽車的研究，國外主要針對BIW[1]和NVH[2]進(jìn)行研究,由于國外沒有快速換電形式的電動汽車，故此方面的研究處于空白。國內(nèi)針對此現(xiàn)狀提出了電池快速更換的方法，也在這方面進(jìn)行了很多有益的研究，桑林等人對電池箱進(jìn)行了振動方面的實(shí)驗(yàn)，得出了路試條件下的功率密度參數(shù)[3]。張永峰等人研究快換電池箱防脫技術(shù)，提高了電池箱的安全性[4]。

基于FEM電動汽車快換電池箱的振動仿真分析還較少，本文通過對電池箱的仿真分析，得出自由模態(tài)和約束模態(tài)下電池箱的振型和模態(tài)參數(shù)，并對電池箱優(yōu)化提出意見，已滿足電池箱在實(shí)際運(yùn)行過程中的各項(xiàng)要求，保證電動汽車的安全運(yùn)行。

1 電池箱的模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性稱為模態(tài)，固有頻率、阻尼比和振態(tài)模型是每一階模態(tài)固有的性質(zhì)。模態(tài)分析的經(jīng)典定義是：將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[5]。

多自由度直接法的方程一般為：

式中， X(t)，X'(t)和X"(t)分別為系統(tǒng)的位移、速度和加速度矩陣，{p(t)}為激振力矩陣。M、K和C分別稱為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣。

由于系統(tǒng)阻尼影響較小，故將其簡化為線性時不變系統(tǒng)，將式（1）進(jìn)行拉氏變換，可得：

式（3）即為系統(tǒng)位移阻抗矩陣，式（4）即為傳遞函數(shù)矩陣。

在線性時不變系統(tǒng)中，系統(tǒng)響應(yīng)是各階模態(tài)響應(yīng)的線性組合，故：

對于無阻尼和比例阻尼系統(tǒng)，模態(tài)矩陣?正交，故式（2）變?yōu)椋?/p>

式（1）可表示為：

電動汽車快換電池箱的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)采用鈑金件焊接而成，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性并且包含眾多大面積薄壁鋼板，可以在一定條件下簡化成離散的多自由度系統(tǒng)[6]。電動汽車動力電池箱是復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對電池箱建立整體數(shù)學(xué)模型解析模態(tài)很難實(shí)現(xiàn)，因此利用有限元軟件進(jìn)行求解。

2 有限元模型的建立

本文利用Hypermesh結(jié)合MSC.NASTRAN的方式對動力電池箱進(jìn)行分析。首先，將建立好的三維模型導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整體網(wǎng)格數(shù)62400，單元類型為六面體單元，如圖1所示。

電池箱采用普通結(jié)構(gòu)鋼，材料屬性如表1所示。

由于電池箱為滿足快換需要，將結(jié)構(gòu)分為內(nèi)外箱，故在分析過程中將分析自由模態(tài)和約束模態(tài)兩種情況。內(nèi)箱1和外箱2通過鎖3和一對銷4鏈接，二者的電氣連接通過連接器5完成。在內(nèi)箱和外箱之間的銷連接處采用剛度為1000N/mm的彈簧進(jìn)行夾緊。而電池作為主要質(zhì)量來源共有32塊，每塊質(zhì)量5.6kg，如圖2所示。

3 電池箱的模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)Lanczos Method，計(jì)算得到電池箱的自由狀態(tài)下的模態(tài)如表2所示。

圖2 電池箱結(jié)構(gòu)示意圖

表2 電池箱模態(tài)對應(yīng)表

自由模態(tài)分析過程中，由于模型存在6個自由度，所以模態(tài)分析前6階頻率幾乎為0，即模型具有6階剛體運(yùn)動模態(tài)，故Nastran計(jì)算結(jié)果的前6階幾乎為零[5]。第7階開始是本文需要研究的振動特征。

電動汽車的振動主要來源于驅(qū)動電機(jī)的振動[6]、路面顛簸的振動以及其他部件的振動，頻率主要集中在30Hz以下。故本文對30Hz以下的模態(tài)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

圖3 電池箱自由模態(tài)振型圖

從圖3可以看出，在頻率小于30Hz的情況下，電池箱振幅最大位置出現(xiàn)在電池箱上蓋板（即圖2紅色蓋板），這個頻率階段與汽車振動源頻率相近，很容易引起振動，所以在上蓋板除必須提高其剛度。

以上為自由模態(tài)下電池箱的振型分析，為進(jìn)一步確認(rèn)危險(xiǎn)位置，將上蓋板隱藏，觀察整個電池箱振型，如圖4所示。

圖4 電池箱自由模態(tài)振型（去掉上蓋板）

由圖4可以看出，圖3的結(jié)論是基本正確的。除上蓋板以外的部分，振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上蓋板處振幅，故自由模態(tài)下的電池箱振動危險(xiǎn)位置在上蓋板處。

自由模態(tài)分析初步顯示了電池箱的振型，但是實(shí)際情況往往并不是自由模態(tài)，所以，本文對約束模態(tài)下的電池箱進(jìn)行分析。本文根據(jù)實(shí)際情況在電池箱鎖處和內(nèi)外箱銷鏈接處設(shè)置接觸，將內(nèi)箱固定在外箱上進(jìn)行約束模態(tài)分析，而由于前述結(jié)論，將上蓋板隱藏，避免振幅過大引起的計(jì)算發(fā)散，分析得到振型結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隱去上蓋板，電池箱振型較小，但是危險(xiǎn)位置出現(xiàn)在電池箱內(nèi)箱中部隔板出，故應(yīng)加強(qiáng)此處剛度。

圖5 電池箱約束模態(tài)振型（去掉上蓋板）

4 結(jié)果分析與優(yōu)化

本文通過對電動汽車動力電池箱的振動性能進(jìn)行分析，得出動力電池箱在關(guān)注頻率內(nèi)的模態(tài)分析結(jié)果。

根據(jù)上述結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1）自由模態(tài)的分析結(jié)果顯示：電池箱振動最大位置出現(xiàn)在電池箱內(nèi)箱上蓋板，并且振幅非常大，此處結(jié)構(gòu)上屬于剛度最薄弱處，必須給與加強(qiáng)。而除去上蓋板的分析結(jié)果表明：其余零件的模態(tài)振型均較小，沒有明顯的剛度不足處，說明設(shè)計(jì)較為合理。

2）約束模態(tài)的分析結(jié)果表明：除去上蓋板，在比較關(guān)心的20Hz領(lǐng)域電池箱內(nèi)隔板的振動幅度較大，也屬于薄弱部件，由于此處關(guān)系到內(nèi)部電池的固定，對電池抗振性能有較大影響，故在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中也必須加以高度重視，進(jìn)行加固。

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析結(jié)果，對快換電池箱進(jìn)行優(yōu)化，大大提高了快換電池箱的抗震性能，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)通過檢測，并成功進(jìn)行了路試。相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)被長春、四川等相關(guān)項(xiàng)目采用，受到了用戶的肯定。

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