基于ABAQUS的動力電池包模態(tài)性能研究

李垚坤，黃翰，杜威，路珂，朱春駿

基于ABAQUS的動力電池包模態(tài)性能研究

李垚坤，黃翰，杜威，路珂，朱春駿

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

為提高電動汽車結(jié)構(gòu)安全性，對其核心部件動力電池包進行模態(tài)性能研究，基于ABAQUS軟件對動力電池包前六階約束模態(tài)特征值進行提取。通過仿真發(fā)現(xiàn)電池包前兩階頻率均低于27.780 Hz，第四、五階頻率接近33 Hz，存在一定共振風(fēng)險，且下蓋在前四階、第六階振型中均出現(xiàn)大幅振動，其動剛度亟需增強。通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)了原結(jié)構(gòu)中存在的安全隱患，這對進一步改進結(jié)構(gòu)具有實際參考意義。

動力電池包；有限元；模態(tài)分析；固有頻率

隨著電動汽車市場快速發(fā)展，電動汽車的安全性問題成為了當(dāng)今汽車行業(yè)的熱點和難點。電池包作為電動汽車的能量來源，其穩(wěn)定性的研究顯得至為重要。電池箱在汽車行駛時會受到路面、車架、電機的動態(tài)激勵。如果這些外界激勵頻率與電池箱固有頻率相近，則會發(fā)生部分甚至大規(guī)模振動，存在一定安全隱患，此現(xiàn)象稱之為共振[1]。模態(tài)是指機械結(jié)構(gòu)的振動特性，通過模態(tài)分析能夠預(yù)判電池包結(jié)構(gòu)的設(shè)計缺陷，避免產(chǎn)生共振導(dǎo)致事故的發(fā)生。

本文采用有限元法，基于ABAQUS軟件對某電池包進行模態(tài)分析，得到了前六階模態(tài)特性，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)電池包下蓋動剛度不足，存在安全風(fēng)險，為進一步結(jié)構(gòu)改進提供了方向。

1 電池包有限元模型建立

1.1 模型簡化及網(wǎng)格劃分

動力電池包長1 801 mm，寬1 097 mm，高282 mm，為提高計算精度和計算成本最優(yōu)化，用簡單實體代替復(fù)雜電池組結(jié)構(gòu)。板金件材料為DC06高強度鋼，電池模組用可壓縮泡沫材料來模擬[2]。

各部件厚度如表1所示。

表1 電池包各部件厚度（單位：mm）

部件厚度部件厚度 上蓋2吊耳支架4 下蓋4內(nèi)部托架4 電池罩蓋3底架2 電池模組—吊耳4

為方便計算，在HyperMesh中簡化單元尺寸不大于 5 mm的圓孔、倒角，采用TRIA3和QUAD4殼單元和六面體實體單元進行網(wǎng)格劃分。箱體結(jié)構(gòu)以焊接和螺栓連接為主，均采用RBE2剛性單元模擬。該模型大部分為二維單元，這里主要對網(wǎng)格的單元長度、翹曲度、長寬比、扭曲角、雅可比等二維網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)進行調(diào)整[3]，具體標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 二維網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn) 三角形單元最小內(nèi)角>25°三角形單元最大內(nèi)角<120° 四邊形單元最小內(nèi)角>30°四邊形單元最小內(nèi)角<140° 單元扭曲度<7°網(wǎng)格翹曲角<7° 雅可比≤0.7網(wǎng)格長寬比≤5

1.2 電池包有限元模型

最終電池包有限元模型如圖1所示，共有868 992個單元，935 186個節(jié)點，其中三角形單元數(shù)為114個，雅可比小于0.5。

圖1 電池包有限元模型

2 模態(tài)分析

2.1 理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析是一種研究結(jié)構(gòu)振動特性的參數(shù)識別技術(shù)，通過求解系統(tǒng)的模態(tài)特性，可預(yù)測結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，避免與工況中出現(xiàn)的頻率重合產(chǎn)生共振，對結(jié)構(gòu)造成破壞。

無阻尼結(jié)構(gòu)體系自由振動運動方程為：

將結(jié)構(gòu)的彈性無阻尼自由振動用若干個簡諧運動疊加的方式來代替，其位移函數(shù)用正弦函數(shù)來表示，求得式（1）解為：

{[]－2[]}{}={0} （2）

式（2）中：為固有頻率；{}為振幅列向量矩陣。

注意到無阻尼自由振動系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)各節(jié)點振幅不可能同時為0，即{}不為0，由此可推出系統(tǒng)自由振動頻率方 程為：

|[]－2[]|=0 （3）

通過階矩陣[]和[]，可求得系統(tǒng)個特征值i（=1，2，3，…，），即固有頻率，將i2代入式（2）中可求得與之對應(yīng)的特征向量{i}（=1，2，3，…，），即系統(tǒng)的振型向量[4]。

在ABAQUS軟件采用高效且適用于求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的Lanczos算法，對電池包前六階模態(tài)特征值進行提取。為精確模擬電池包與車身連接關(guān)系，約束12個吊耳孔全部自由度，采用約束模態(tài)方式進行分析。

2.2 仿真分析

ABAQUS求解器計算電池包前6階模態(tài)特性如表3所示，振型如圖2所示。

表3 電池包前6階模態(tài)頻率及振型

階次頻率/Hz振型描述 一階17.471電池包下蓋中部彎曲振動 二階18.042電池包下蓋中部彎曲振動 三階28.554電池包下蓋后部彎曲振動 四階32.119電池包下蓋前、后部兩側(cè)振動 五階32.879電池包上蓋前部彎曲振動 六階37.521電池包下蓋前、后部彎曲振動

2.3 結(jié)果評價

動力電池包系統(tǒng)工作的常見頻率為33 Hz，且在平坦路面、碎石路面和搓板路面三種常見路況條件下時速為100 km/h、60 km/h和40 km/h時，路面不平度對電池包的激勵頻率分別為27.780 Hz、22.520 Hz和24.460 Hz[5]，因而為避免共振的發(fā)生，電池包固有頻率需高于27.780 Hz且避開33 Hz。

仿真結(jié)果中電池包前兩階頻率均低于27.780 Hz，且第四、五階頻率接近33 Hz，存在一定共振風(fēng)險。前四階及第六階模態(tài)振型中均在電池包下蓋出現(xiàn)大幅度振動，表明其動剛度不足，需增強電池包下蓋動剛度。

3 結(jié)語

本文采用有限元方法，基于ABAQUS軟件對電池包進行模態(tài)分析，得到了電池包前六階模態(tài)特征值，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)前六階固有頻率有待提高，且電池包下蓋在模態(tài)分析中位移量較大，剛度亟需加強，否則可能會引起事故的產(chǎn)生。通過對動力電池包模態(tài)性能進行研究，發(fā)現(xiàn)了原結(jié)構(gòu)中存在的安全隱患，為進一步的結(jié)構(gòu)改進打下了基礎(chǔ)，具有一定實際參考意義。

［1］朱茂桃，何志剛，徐凌，等.車身模態(tài)分析與振型相關(guān)性研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2004，35（3）：13-15.

［2］劉金.碰撞工況下汽車動力電池包動力學(xué)響應(yīng)分析及安全評價［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2017.

［3］姜高松.某純電動汽車電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及優(yōu)化［D］.長沙：湖南大學(xué)，2016.

［4］劉延柱.振動力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［5］李明秋.電池包箱體的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［D］.吉林：吉林大學(xué)，2017.

U463.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.010

2095－6835（2020）13－0026－02

李垚坤（1998—），男，研究方向為新能源汽車動力電池。

〔編輯：王霞〕