動(dòng)力電池包抗振動(dòng)安全性設(shè)計(jì)研究＊

符興鋒 李罡,2 曾維權(quán) 劉靜 楊勇

（1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434；2.華南理工大學(xué)，廣州 510640）

1 前言

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車最重要的零部件之一，其安全性直接影響到電動(dòng)汽車的使用性能。GB/T 31467.3—2015將電池包的16項(xiàng)安全性測(cè)試納入強(qiáng)制檢測(cè)范圍。電池包的抗振動(dòng)性要求是其中的重要內(nèi)容，也是電池包安全性要求中最難通過的幾項(xiàng)測(cè)試之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，廣大學(xué)者針對(duì)電動(dòng)汽車的耐振動(dòng)性進(jìn)行了積極的研究[1-4]，但關(guān)于電動(dòng)乘用車用電池包的研究成果相對(duì)較少。本文通過有限元仿真分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究提高純電動(dòng)乘用車用動(dòng)力電池包安全性的有效措施。

2 動(dòng)力電池包的抗振動(dòng)安全性要求

本文研究的動(dòng)力電池包布置在電動(dòng)汽車乘員艙下部，根據(jù)GB/T 31467.3的要求，在抗振動(dòng)性測(cè)試時(shí)，需要將其安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，振動(dòng)測(cè)試在Z軸、Y軸、X軸3個(gè)方向上依次進(jìn)行。

圖1所示為本文研究的某純電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池包布置位置示意。該動(dòng)力電池包布置在汽車地板下，由9個(gè)安裝點(diǎn)固定在車身兩側(cè)的縱梁和后副車架前安裝橫梁上，因此動(dòng)力電池包還需要滿足電動(dòng)汽車使用的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求，此外，還需滿足IP67的防護(hù)等級(jí)要求。

圖1 動(dòng)力電池包布置位置示意

動(dòng)力電池包的強(qiáng)度和剛度分析載荷工況根據(jù)企業(yè)的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)整理為：縱向和橫向加速度均為±3g，垂直加速度為±6g的復(fù)合載荷工況，同時(shí)，安裝在整車后，還需滿足整車模態(tài)頻率大于20 Hz的要求。

3 動(dòng)力電池包有限元分析計(jì)算方法

動(dòng)力電池包有限元分析使用結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法。假設(shè)在有限元模型中，1條焊縫上存在有2個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，其間距為l，應(yīng)力分別為Fy1和Fy2，沿焊縫方向單位厚度的線性力分別為fy1和fy2，則有平衡方程：

求解方程，得到節(jié)點(diǎn)處的線性力和線性轉(zhuǎn)矩：

式中，t為電池包鈑金厚度；mx1和mx2分別為節(jié)點(diǎn)處沿焊縫方向單位厚度的扭矩；Mx1和Mx2分別為節(jié)點(diǎn)處沿焊縫方向的節(jié)點(diǎn)扭矩。

應(yīng)力梯度變化不明顯的情況下，可以通過每個(gè)計(jì)算單元的線性力和線性轉(zhuǎn)矩計(jì)算出準(zhǔn)確的結(jié)果。但實(shí)際建模時(shí)，焊縫單元的形狀、尺寸和應(yīng)力梯度變化往往很大，需要考慮整個(gè)焊縫虛線通過建立聯(lián)立方程組的方式來求解焊趾?jiǎn)卧木€性力和線性轉(zhuǎn)矩：

大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，焊縫擴(kuò)展失效過程可以分為短裂紋階段（0＜a/t＜0.1）、長(zhǎng)裂紋階段（0.1≤a/t≤1）和斷裂階段（a/t＞1），其中，a為斷裂失效判斷系數(shù)，斷裂階段代表樣件已經(jīng)發(fā)生斷裂失效[5-6]。

4 動(dòng)力電池包強(qiáng)度和剛度有限元分析

利用HyperMesh中的Nastran模塊建立焊點(diǎn)的有限元模型，建模過程中，選用多種類型的單元焊點(diǎn)模型來模擬點(diǎn)焊連接，金屬板的彈性模量E=210 GPa，密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3，焊點(diǎn)單元的修改采用HyperMesh中的Connector。片與片的連接方式根據(jù)單元節(jié)點(diǎn)的連接區(qū)域不同分為ELEMID（elem-elem）和ELPAT（patch-patch）兩種，焊接面上可以產(chǎn)生4個(gè)輔助點(diǎn)，輔助點(diǎn)構(gòu)成的四邊形面積等價(jià)于焊點(diǎn)截面積[7-10]。

電池包上蓋采用SMC材料，拉伸強(qiáng)度95 MPa，拉伸模量5 GPa，斷裂延展率1.5%，彎曲強(qiáng)度140 MPa，彎曲模量4.9 GPa。電池包下殼體和支撐板材料為CR340，電池包底部托架材料為HR550。電池包有限元模型如圖2所示。

圖2 電池包仿真分析有限元模型

對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行模態(tài)強(qiáng)度有限元分析，振型圖如圖3所示。電池包第1階模態(tài)分析結(jié)果為25.4 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 電池包模態(tài)分析振型圖

動(dòng)力電池包Z向-6g垂直沖擊工況強(qiáng)度、剛度仿真結(jié)果分別如表2、圖4所示。由表2可知，動(dòng)力電池包安裝支架最大應(yīng)力遠(yuǎn)超過材料屈服極限，不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，其他安裝點(diǎn)的最大應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。由圖4可知，該工況下，電池包支架最大變形量為7.25 mm，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表2 動(dòng)力電池包強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果 MPa

動(dòng)力電池包Z向振動(dòng)耐久性仿真結(jié)果如圖5所示，后安裝梁部分Z向振動(dòng)耐久性壽命低于1 h，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的21 h，不滿足振動(dòng)耐久性要求。與此類似，Y向振動(dòng)相同區(qū)域耐久性壽命低于24 h，X向振動(dòng)耐久性壽命高于24 h。即僅X向振動(dòng)耐久性壽命仿真結(jié)果滿足要求。

圖4 電池包強(qiáng)度剛度分析結(jié)果

圖5 電池包Z向振動(dòng)耐久性仿真結(jié)果

5 動(dòng)力電池包強(qiáng)度和剛度有限元優(yōu)化

針對(duì)仿真分析中動(dòng)力電池包支架強(qiáng)度不足和Z向、Y向振動(dòng)耐久性壽命不足的問題，進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.1 動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)電池包和相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力較為集中的部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將相關(guān)焊接或安裝位置的應(yīng)力降低到屈服強(qiáng)度以下。

圖6所示為電池包底部托架應(yīng)力較大部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，將電池托架不連接的部分通過優(yōu)化更改結(jié)構(gòu)，連接為一個(gè)個(gè)整體零件并焊接在一起，大大降低了開裂或斷開的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于原結(jié)構(gòu)仿真分析中焊點(diǎn)不足容易開裂失效的部分，通過調(diào)整焊接結(jié)構(gòu)或增加焊點(diǎn)的降低應(yīng)力集中。

圖7所示為電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化示意，電池包內(nèi)部應(yīng)力較大、容易開裂的橫梁和縱梁結(jié)合部分增加焊接襯板，進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)，以提高抗振動(dòng)耐久性強(qiáng)度；將原有的3根內(nèi)部縱梁延長(zhǎng)，內(nèi)部通過三層焊接工藝將底部的支撐橫梁支架、外部縱梁焊接在一起，提高了電池包的整體剛度，并將可能受到的振動(dòng)沖擊力盡可能傳遞到電池包的安裝固定點(diǎn)上，以減小應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中相對(duì)較高的部分改用屈服強(qiáng)度更高的高強(qiáng)度鋼。

圖6 電池包外部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖7 電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.2 動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真計(jì)算

將優(yōu)化后數(shù)模重新進(jìn)行有限元建模，施加Z向-6g垂直沖擊工況進(jìn)行分析[10-12]。

電池包最大變形量減小為4.38 mm，電池包模態(tài)頻率為26.8 Hz，最大應(yīng)力仿真結(jié)果如表3所示。在模態(tài)、最大變形量和最大應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，電池包整體抗振動(dòng)安全性能有了大幅度的提升[13]。

表3 動(dòng)力電池包優(yōu)化強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果 MPa

圖8所示為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電池包Z向振動(dòng)耐久性仿真計(jì)算結(jié)果。由圖8可知，除電池包上、下箱體的安裝螺母和安裝支架與車身安裝孔間的抗振動(dòng)性壽命較低外，電池包其他部分的局部應(yīng)力點(diǎn)均在a/t＜1范圍，特別是優(yōu)化前易失效的位置強(qiáng)度均有明顯改善，基本滿足抗振動(dòng)性壽命要求。

圖9所示為與動(dòng)力電池包安裝相關(guān)的車身支架焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的仿真分析計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明，優(yōu)化后的車身安裝支架應(yīng)力明顯降低，焊點(diǎn)位置抗振動(dòng)性分析為a/t＞1，滿足抗振動(dòng)壽命要求。對(duì)于圖8中部分螺栓和螺母位置存在可能不滿足抗振動(dòng)性壽命要求的現(xiàn)象，綜合相關(guān)試驗(yàn)和仿真結(jié)果可知，螺栓安裝位置的應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果存在一定偏差，在類似電池包的抗振動(dòng)性試驗(yàn)中失效位置實(shí)際測(cè)試的結(jié)果均未出現(xiàn)失效情況，因此可以預(yù)估電池包優(yōu)化后的抗振動(dòng)性壽命滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 優(yōu)化焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)部分仿真結(jié)果

6 試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)的要求將電池包模擬整車使用環(huán)境，制作相應(yīng)的電池包安裝夾具將其安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。

圖10所示為優(yōu)化前、后Z向振動(dòng)試驗(yàn)箱體情況。優(yōu)化前，電池包加載約1 h即出現(xiàn)開裂，開裂位置與仿真分析結(jié)果類似，側(cè)面說明了仿真分析結(jié)果的可靠性。優(yōu)化后，電池包外部箱體雖有部分變形，但未發(fā)生破裂、漏液、電池起火和爆炸等現(xiàn)象，靜置2 h后絕緣檢測(cè)的結(jié)果正常。

圖10 優(yōu)化設(shè)計(jì)前、后Z向振動(dòng)試驗(yàn)箱體

綜上所述，優(yōu)化后的動(dòng)力電池包抗振動(dòng)安全性明顯改善。

7 結(jié)束語

本文針對(duì)某款動(dòng)力電池包，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)抗振動(dòng)安全性進(jìn)行了研究，建立動(dòng)力電池包的仿真分析模型，進(jìn)行了有限元仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果開展動(dòng)力電池包的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后動(dòng)力電池包具有良好的抗振動(dòng)安全性，有限元分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證有效提高了分析效率。

參考文獻(xiàn)

[1]李德勇.缺口件振動(dòng)疲勞壽命分析的名義應(yīng)力法[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[2]徐龍.基于極限工況載荷的車身靜態(tài)強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.

[3]謝先宇.新能源汽車用動(dòng)力電池系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)研究[J].上海汽車，2014（5）：2-6.

[4]蘇陽.電動(dòng)車電池包振動(dòng)疲勞分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（2）：109-110.

[5]張勝俊.轎車車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[6]曾慶洋.商用車駕駛室白車身焊點(diǎn)布置及疲勞壽命分析[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[7]張?chǎng)?，馬茲林，冒曉建，等.混合動(dòng)力車用蓄電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010（6）：46-49.

[8]Palmonella M,Friswell M I,Mottershead J E,et al.Guide?lines for the Implementation of the CWELD and ACM2 Spot Weld Models in Structural Dynamics[J].Finite Elements in Analysis&Design,2005,41(2):193-210.

[9]楊然，陳君毅，王宏雁.點(diǎn)焊連接的有限元建模方法研究[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2011，1（6）：448-454.

[10]宋海生，史文庫(kù)，龍巖，等.整車模態(tài)分析中焊點(diǎn)模擬方法的研究[J].2011，33（11）：321-323.

[11]符興鋒，周斯加，龍江啟.電動(dòng)車動(dòng)力電池安全管理研究及實(shí)車驗(yàn)證[J].汽車技術(shù)，2013，（9）：40-45.

[12]符興鋒，周斯加，趙小坤，等.插入式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013（5）：1-7.

[13]裴鋒，符興鋒.基于風(fēng)冷模式的18650動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)研究[J].汽車技術(shù)，2015（8）：48-53+58.