某純電動(dòng)汽車電池包系統(tǒng)振動(dòng)疲勞仿真分析研究

周麗杰

摘 要：為了迎合市場(chǎng)對(duì)續(xù)駛里程提高的要求，續(xù)駛里程超過(guò)400公里已成為國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車市場(chǎng)的主流，受電池材料和能量密度極限的影響，電池包重量也會(huì)相應(yīng)超過(guò)350kg，電池包振動(dòng)疲勞的挑戰(zhàn)全方位倍增，對(duì)電池包系統(tǒng)箱體結(jié)構(gòu)性能要求越來(lái)越高，建立適用的電池包系統(tǒng)振動(dòng)疲勞仿真分析的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為整車開(kāi)發(fā)性能考核提供依據(jù)，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;電池包;振動(dòng)疲勞;企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：U469.72? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-19-04

Abstract： In order to meet the requirement of the market for increasing driving mileage， driving mileage over 400 kilometers has become the mainstream of the domestic pure electric vehicle market. Due to the influence of battery materials and energy density limit， the weight of battery pack will correspondingly exceed 350 kilograms. The challenge of vibration fatigue of battery pack will be multiplied in all directions. The structural performance of battery pack system is increasingly demanded， and suitable battery pack system will be established. The enterprise standard of vibration fatigue simulation analysis provides a basis for vehicle development performance evaluation and reduces development risk and cost.

Keywords： Battery electric vehicle1; Pack; Vibration fatigue; Enterprise Standard

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-19-04

引言

純電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，離不開(kāi)國(guó)家政策的支持、消費(fèi)者消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變以及車企技術(shù)的提升。根據(jù)公安部交管局官方微信發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，截止2018年6月底，國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.19億，其中汽車保有量達(dá)2.29億輛，新能源汽車保有量達(dá)199萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車162萬(wàn)輛，占汽車總量比約0.7%。但相應(yīng)的純電動(dòng)汽車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還不夠全面、待完善和更新，各汽車企業(yè)都在摸索、研究、制定各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電池包在車輛行駛過(guò)程中發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)，研究隨機(jī)振動(dòng)對(duì)電池包的疲勞壽命影響具有重要意義。對(duì)整車基于路譜載荷疲勞、電池包系統(tǒng)基于路譜載荷疲勞、電池包系統(tǒng)基于《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》報(bào)批稿功率譜密度載荷疲勞、電池包系統(tǒng)基于GBT 31467.3-2015功率譜密度載荷疲勞等方面展開(kāi)研究，獲得有效支撐，建立適合電池包系統(tǒng)振動(dòng)疲勞仿真分析的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 某純電動(dòng)車電池包系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某純電動(dòng)車電池包上下箱體總成采用輕量化鋁合金電池框架、先進(jìn)的鏈接工藝（熱熔自攻絲FDS、鋁套管、高強(qiáng)度鉚釘、電螺栓、導(dǎo)熱粘接膠、進(jìn)出水口密封膠等），總成重量?jī)H70kg。

除24個(gè)電池包單體模組外，還將高壓配電盒、電池管理系統(tǒng)主從控板、快充高壓連接器、輸出高壓連接器等部件集成在電池包PACK內(nèi)。電池包PACK的投影面積約1.8m2，電池模組的投影總面積約占電池包PACK投影面積的78%，電池模組的總重量約占電池包PACK的總重量的80%。

電池包系統(tǒng)左右側(cè)各有4個(gè)與車身側(cè)圍門檻梁的安裝點(diǎn)，安裝點(diǎn)間距在380mm到480mm之間。電池包系統(tǒng)后側(cè)有2個(gè)與車身后地板中橫梁的安裝點(diǎn)，安裝點(diǎn)間距約600mm。與特斯拉model3等車型相比，電池包前部和中部與車身無(wú)安裝點(diǎn)，其Z向振動(dòng)特性明顯低于XY兩個(gè)方向，Z向振動(dòng)疲勞損傷為主要考察方向。

2 電池包系統(tǒng)振動(dòng)疲勞對(duì)標(biāo)分析

在電池包開(kāi)發(fā)階段，對(duì)電池包內(nèi)外各組成部分進(jìn)行精細(xì)化建模，確定各組件間的接觸、鏈接方式，建立合理的電池包系統(tǒng)有限元模型，并參考電池包系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)（參考GBT 31467.3-2015）結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，提升仿真模型精度。

2.1 電池包系統(tǒng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)

從電池包夾具對(duì)電池包系統(tǒng)的約束性能上，初始設(shè)計(jì)兩套夾具，夾具1的約束剛度與電池包的車身安裝點(diǎn)剛度相當(dāng)、夾具2的約束剛度提高多倍，相當(dāng)于剛性約束。從剛度、模態(tài)特性、振動(dòng)疲勞等方面仿真分析結(jié)果對(duì)比如表1所示，其中振動(dòng)疲勞損傷是參照國(guó)標(biāo)GBT 31467.3-2015中的7.1部分 。夾具2的約束剛度較電池包的車身安裝點(diǎn)剛度高4到22倍，振動(dòng)疲勞損傷3.1E-7，為無(wú)限壽命，滿足循環(huán)使用要求。另電池包的長(zhǎng)度大于1600mm、寬度大于1200mm，對(duì)夾具的面板平面度要求較高，要求平面度公差小于0.5mm。采用夾具2設(shè)計(jì)制作夾具，用于電池包振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。

2.2 電池包系統(tǒng)模態(tài)和振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)及優(yōu)化

通過(guò)對(duì)電池包系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，不僅可以確定電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包固有頻率、振型、阻尼比等，還可確定較為準(zhǔn)確的建模方案，獲得較高的仿真可信度。從集中質(zhì)量（電池單體的建模簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量點(diǎn)，質(zhì)量點(diǎn)與箱體采用剛性連接）、簡(jiǎn)化連接（考慮單體的建模，將電池與箱體的連接關(guān)系簡(jiǎn)化為剛性）、接觸（考慮部件間的接觸或膠粘）等方面修正模型[1]，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，仿真對(duì)標(biāo)后Z向一階模態(tài)差異0.9%、Z向損傷差異15%，仿真模型精度較高。經(jīng)對(duì)上下箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，上箱體與模組安裝支架的安裝點(diǎn)數(shù)量由6個(gè)增加到8個(gè)，一階局部模態(tài)從20.4HZ提升到58.1HZ，上箱體損傷從0.85降為7.0E-5，處于振動(dòng)耐久性安全狀態(tài)。

3 電池包系統(tǒng)振動(dòng)疲勞分析研究

基于以上對(duì)標(biāo)優(yōu)化后的仿真模型，對(duì)整車路譜載荷疲勞、電池包系統(tǒng)路譜載荷疲勞、電池包系統(tǒng)基于《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》報(bào)批稿隨機(jī)振動(dòng)載荷疲勞、電池包系統(tǒng)基于GBT 31467.3-2015中7.1部分隨機(jī)振動(dòng)載荷疲勞等方面展開(kāi)研究。

3.1 整車強(qiáng)化路載荷靜態(tài)疲勞分析研究

整車強(qiáng)化路譜采集試驗(yàn)場(chǎng)地為中汽中心鹽城汽車試驗(yàn)場(chǎng)，試驗(yàn)路面包括T8強(qiáng)化耐久路和T9爬坡區(qū)，主要包括比利時(shí)路、混凝土補(bǔ)丁路、圓形坑洼路、溝渠路、濺水路、振動(dòng)路、鋸齒路、正弦坡道、不規(guī)則的混凝土路、森林路等路段，強(qiáng)化系數(shù)為8。

分析模型包含TRIM狀態(tài)白車身和電池包系統(tǒng)，仿真分析電池包及支架系統(tǒng)最大損傷值為1.8E-9，2臺(tái)整車結(jié)構(gòu)耐久實(shí)車試驗(yàn)車、1臺(tái)整車PAVE試驗(yàn)車、1臺(tái)四立柱臺(tái)架試驗(yàn)車均未出現(xiàn)電池包及支架系統(tǒng)損壞。

3.2 電池包系統(tǒng)路譜載荷疲勞分析研究

分析模型僅為電池包及支架系統(tǒng)加夾具，采用NCODE軟件振動(dòng)疲勞仿真分析模塊，將路譜采集時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域功率譜曲線，用Duty Cycle加載方式實(shí)現(xiàn)39個(gè)事件按順序分析計(jì)算并自動(dòng)進(jìn)行結(jié)果疊加。仿真分析持續(xù)時(shí)間與各路譜采集時(shí)域數(shù)據(jù)、循環(huán)次數(shù)總時(shí)間一致，仿真分析獲得電池包及支架系統(tǒng)最大總損傷值為2.1E-10，其中卵石路S蛇形駕駛、井蓋路、比利時(shí)Ⅰ、比利時(shí)Ⅱ、濺水、振動(dòng)Ⅱ等路段貢獻(xiàn)較大，占總損傷的95%以上。

3.3 電池包系統(tǒng)2015版國(guó)標(biāo)振動(dòng)疲勞分析研究

分析模型僅為電池包及支架系統(tǒng)加夾具，采用GBT 31467.3-2015中7.1部分的Z軸PSD值為加載曲線，其隨機(jī)振動(dòng)加速度RMS均方根為1.44G，振動(dòng)測(cè)試持續(xù)時(shí)間為21小時(shí)，仿真分析電池包及支架系統(tǒng)最大損傷值為3.5E-3，明顯高于整車強(qiáng)化路靜態(tài)疲勞分析及強(qiáng)化路載荷功率譜曲線振動(dòng)疲勞分析的電池包損傷。GBT 31467.3-2015中7.1部分參照ECE R100第一階段提案，存在與我國(guó)試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化道路實(shí)際激勵(lì)環(huán)境有偏差、采集到的振動(dòng)載荷相差較大及不可預(yù)見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)等。此載荷電池包系統(tǒng)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)次數(shù)已超過(guò)10次，均未發(fā)生結(jié)構(gòu)疲勞損壞。

3.4 電池包系統(tǒng)2019版報(bào)批稿國(guó)標(biāo)振動(dòng)疲勞分析研究

《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》報(bào)批稿預(yù)計(jì)在2020年上半年作為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，以代替GB/T31467.3- 2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測(cè)試方法》。報(bào)批稿以交通部北京通縣的結(jié)構(gòu)耐久強(qiáng)化道路為數(shù)據(jù)采集場(chǎng)地，基于等效損傷理論，通過(guò)試驗(yàn)應(yīng)力采集驗(yàn)證、仿真分析與測(cè)試時(shí)間優(yōu)化可行性分析等多方面的論證，得到綜合的PSD譜，建立振動(dòng)試驗(yàn)與實(shí)際道路的關(guān)聯(lián)。與GB/T 31467.3相比，隨機(jī)振動(dòng)的RMS水平有明顯降低，Z軸加速度RMS由1.44G降為0.64G，每個(gè)方向的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間也從21小時(shí)縮短到12小時(shí)。報(bào)批稿仿真分析電池包及支架系統(tǒng)最大損傷值為8.6E-11，低于整車強(qiáng)化路靜態(tài)疲勞分析及強(qiáng)化路載荷功率譜曲線振動(dòng)疲勞分析的電池包損傷。

3.5 推薦版振動(dòng)疲勞分析測(cè)試條件研究

用電池包底面中心點(diǎn)采集的強(qiáng)化路加速度曲線數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，共包含39個(gè)路面事件，分別對(duì)其進(jìn)行 RMS均方根計(jì)算，RMS均方根大于0.2G的為主要事件，包含比利時(shí)路Ⅰ、混凝土補(bǔ)丁路、振動(dòng)路Ⅲ、圓形坑洼路、30°角路障路、扭曲路-左側(cè)、顛簸路、溝渠路、比利時(shí)路Ⅱ、濺水路、振動(dòng)路Ⅱ、繩索路、井蓋路、鋸齒路、正弦坡道、卵石路-10S蛇形駕駛等共16個(gè)事件，占總損傷的99.93%?；诖?6個(gè)事件，推薦振動(dòng)疲勞測(cè)試條件低頻5-15Hz段功率譜密度PSD為0.017g2/Hz、低頻65-100Hz段功率譜密度PSD為0.002g2/Hz、高頻200Hz段功率譜密度PSD為0.0001g2/Hz，推薦PSD曲線包絡(luò)已基本覆蓋主要事件，具有較好的吻合性。

推薦版振動(dòng)疲勞測(cè)試條件RMS均方根值為0.75G，較國(guó)標(biāo)2019報(bào)批版高約20%，振動(dòng)時(shí)間保持為12h。仿真分析獲得此載荷電池包及支架系統(tǒng)最大損傷值為1.4E-7，是整車強(qiáng)化路靜態(tài)疲勞分析及強(qiáng)化路載荷功率譜曲線振動(dòng)疲勞分析的電池包損傷的10-100倍，符合通常子系統(tǒng)臺(tái)架疲勞試驗(yàn)測(cè)試強(qiáng)度要求。主要事件與國(guó)標(biāo)2015振動(dòng)載荷、國(guó)標(biāo)2019報(bào)批版載荷、推薦版載荷對(duì)比如下圖2：

4 總結(jié)

經(jīng)對(duì)電池包系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)用夾具合理設(shè)計(jì)、初版電池包系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)、振動(dòng)疲勞對(duì)標(biāo)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到較高精度的電池包系統(tǒng)仿真分析模型?；诖搜芯侩姵匕到y(tǒng)5種疲勞分析方法的差異，初步得出：

（1）電池包的長(zhǎng)度大于1600mm、寬度大1200mm，對(duì)夾具的面板平面度要求較高，要求平面度公差小于0.5mm、夾具的Z向約束剛度較電池包的車身側(cè)安裝點(diǎn)剛度高20倍以上，以便夾具可達(dá)到重復(fù)使用、無(wú)線壽命的要求。

（2）電池包系統(tǒng)整車強(qiáng)化路靜載荷疲勞、電池包系統(tǒng)強(qiáng)化路載荷疲勞、電池包系統(tǒng)2019版報(bào)批稿振動(dòng)疲勞仿真分析結(jié)果相當(dāng)。2019版報(bào)批稿振動(dòng)試驗(yàn)強(qiáng)度低于本企業(yè)選定的鹽城汽車試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化道路激勵(lì)，建議各新能源企業(yè)適當(dāng)加強(qiáng)。

（3）電池包系統(tǒng)2015版國(guó)標(biāo)振動(dòng)疲勞分析結(jié)果明顯高于其他方案，且統(tǒng)計(jì)此標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來(lái)的測(cè)試結(jié)果，此振動(dòng)試驗(yàn)通過(guò)率僅為50%左右，表明其過(guò)于嚴(yán)格。