動力電池包箱體振動疲勞分析及優(yōu)化

秦千富 梁琴桂 周文靜

摘 要：文章通過對某車型動力電池包箱體在振動試驗中出現(xiàn)的疲勞斷裂問題進行分析論證，建立了一種新的基于PSD試驗譜下的振動疲勞仿真分析方法。結(jié)果表明：該方法下的仿真疲勞損傷位置與試驗斷裂位置一致。經(jīng)過對其進行方案優(yōu)化后，該箱體結(jié)構(gòu)滿足振動疲勞性能并順利通過振動試驗。這種基于PSD譜振動疲勞仿真分析方法具有較強的工程實用性，為工程振動問題提供了風(fēng)險預(yù)測、問題解決，縮短開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：電池包箱體;PSD譜;振動試驗;振動疲勞

中圖分類號：U462.3+6 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-13-03

Abstract： This paper analyzes and proves the fatigue fracture of the power battery case in vibration test， a new vibration fatigue simulation method based on PSD test spectrum is established. The results show that the simulated fatigue damage location under this method is consistent with the test fracture location. After the optimization of the scheme， the box structure meets the vibration fatigue performance and passes the vibration test successfully. This method of vibration fatigue simulation based on PSD spectrum has strong engineering practicability， which provides risk prediction， problem solving and shortens development cycle for engineering vibration problems.

Keywords： Battery pack box; PSD spectrum; Vibration test; Vibration fatigue

CLC NO.： U462.3+6 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-13-03

引言

動力電池包作為電動汽車驅(qū)動能量的唯一來源，是電動汽車的核心。電池包整體性能的好壞，關(guān)系到電動汽車的動力性能、續(xù)航能力以及整車的安全性。本文以某車型動力電池包箱體在開發(fā)驗證階段，振動試驗中出現(xiàn)的斷裂問題進行原因分析和論證，建立了一種基于PSD試驗譜下的振動疲勞仿真分析方法，并通過對電池包箱體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終順利通過振動試驗，為后續(xù)車型動力電池包箱體開發(fā)設(shè)計提供了新的思路和預(yù)測方法，進而縮短了開發(fā)周期。

1 PSD譜

PSD即功率譜密度，是一種概率統(tǒng)計方法，是對隨機變量均方值的量度，一般用于隨機振動分析。

2 振動試驗

2.1 試驗方法及要求

GB/T 2423.56-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第三部分：安全性要求與測試方法中給出了電池系統(tǒng)安全性測試的具體方法。試驗對象參照測試對象車輛安裝位置和GB/T 2423.43的要求，將測試對象安裝在振動臺上。振動測試在三個方向上進行，每個方向作用時間12h，測試從z軸開始，然后是y軸，最后是x軸。要求在測試過程中，動力電池包的最小監(jiān)控單元無電壓銳變（電壓差的絕對值不大于0.15V），動力電池包保持連接可靠、結(jié)構(gòu)完好，動力電池包無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸等現(xiàn)象[2]。

2.2 某車型動力電池包振動試驗結(jié)果

某車型動力電池包在開發(fā)階段將樣件進行振動試驗，在Z軸測試進行到11.5h時出現(xiàn)異響，拆箱后發(fā)現(xiàn)有4處異常，焊點開裂，加強筋斷裂。排除設(shè)計、制造工藝問題，初步判斷造成樣件試驗開裂的主要原因是箱體支架在振動載荷循環(huán)作用下，支架薄弱位置疲勞損傷，最終發(fā)生斷裂。

3 電池包箱體振動疲勞分析

為了找出電池包箱體支架開裂的真正原因并優(yōu)化以確保項目開發(fā)進度，對電池包箱體進行仿真分析、方案優(yōu)化、試驗驗證，最終論證了該分析方法的工程實用性，最終建立了一種新的基于PSD試驗譜下的振動疲勞仿真分析方法。該仿真分析流程如圖5所示。

3.1 結(jié)構(gòu)分析：頻率響應(yīng)

根據(jù)試驗PSD譜頻率段，對電池包有限元模型[3]進行5-200Hz模態(tài)頻率響應(yīng)分析，得到每一階模態(tài)在X、Y、Z單位加速度激勵下的傳遞函數(shù)以及模態(tài)應(yīng)力因子[4-5]。

3.2 振動疲勞分析

頻率響應(yīng)獲得三個方向單位加速度激勵下的傳遞函數(shù)及模態(tài)應(yīng)力因子，結(jié)合試驗PSD譜以及材料S-N曲線[6]，在指定的概率密度函數(shù)下進行多軸疲勞分析，計算振動試驗時間下疲勞損傷。

分析結(jié)果顯示，對應(yīng)四處開裂位置損傷均大于1，存在開裂風(fēng)險，與試驗結(jié)果相吻合。

結(jié)果如下：

4 優(yōu)化驗證

從分析結(jié)果看，開裂位于搭接和模組固定孔附近，由于接頭結(jié)構(gòu)較弱，導(dǎo)致傳力的不連續(xù)性，且安裝面剛度較差，抗變形能力不足，使得電池包箱體在循環(huán)振動載荷譜激勵下發(fā)生振動疲勞斷裂。因此，進行箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化時充分考慮了這兩點因素，模組固定支架采用腔體封閉結(jié)構(gòu)，避免接頭過弱設(shè)計，同時中部位置增加縱梁，加強抗變形能力，提升整包模態(tài)。

優(yōu)化方案箱體最大損傷0.060，低于目標值1，滿足振動壽命要求。經(jīng)再次振動試驗，順利通過。

5 結(jié)語

本文通過對某車型動力電池包箱體在振動試驗中出現(xiàn)的疲勞斷裂問題進行分析，提出了一種新的基于PSD試驗譜下的振動疲勞仿真分析方法。分析結(jié)果與試驗結(jié)果一致，并方案優(yōu)化最終完成試驗。該方法在電池包設(shè)計開發(fā)階段可以有效的開展風(fēng)險評估，縮短開發(fā)周期，降低成本。同時，對其他工程振動問題的解決也具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻

[1] 徐灝.疲勞強度設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981.

[2] GB/T 2423.56-2015.電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第三部分安全性要求及測試方法[S].2015.

[3] 董相龍，張維強.電動汽車電池箱結(jié)構(gòu)強度的有限元分析及其改進設(shè)計[J].機械強度，2015，37（2）：312-316.

[4] 田麗思.MSC.Nastran動力分析指南[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[5] 李增剛.Nastran快速入門與實例[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2007. 6.

[6] 陳玳珩.疲勞失效與材料強度預(yù)測：線性切口力學(xué)的概念與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.