基于Optistruct的電池包結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

劉成武，吳平，李喆，施京凱，吳銘

(福建工程學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118)

純電動汽車的核心為電池、電機和電控系統(tǒng)[1]。電池包是純電動汽車的儲能裝置，要求有足夠的強度和剛度，其約束模態(tài)必須能夠避開由電機和路面不平度引起的共振。為了更長的續(xù)航，電池包體積不斷增加，不少純電動汽車軸距越來越長，導(dǎo)致動力電池上蓋面積增大、剛度不足的現(xiàn)象時有發(fā)生。針對電池包進(jìn)行各種極限工況和約束模態(tài)仿真分析，研究其剛度和強度的分布情況，在工程應(yīng)用中具有一定參考價值。

1991年，Kazuo Ao[2]便開始對電池包的設(shè)計和分析。1995年，Krawczuk[3]對電池包做模態(tài)分析。2011年，Ariyoshi Tomohik[4]對新能源汽車動力系統(tǒng)建模與仿真的研究。之后國外出現(xiàn)了一些用有限元方法研究電池包的文章[5-8]。國內(nèi)也有類似的研究，蘭鳳崇、王振坡和崔佳等人[9-11]用有限元技術(shù)對電池包的輕量化、碰撞安全性和振動疲勞等進(jìn)行研究。但目前的研究還存在一些不足，如文獻(xiàn)[12]對電池包進(jìn)行有限元分析，但連接關(guān)系和電池模組都過于簡單，不能充分模擬各種工況下電池包內(nèi)部各部件之間力的傳遞過程。

本文以某純電動汽車電池包為研究對象，模擬真實情況下電池包內(nèi)部的連接關(guān)系，搭建更精確的有限元模型。

1 電池包精細(xì)化建模

電池包由箱體、電池模組、托架、電氣系統(tǒng)元器件、熱管理系統(tǒng)元器件和冷卻系統(tǒng)等部分組成。將電池模組簡化為一個均質(zhì)長方體，建立模組與側(cè)板之間固定的長螺栓。保留模組底部的水冷板和模組與模組之間的軟連接。由于電器件、高壓插件、霍爾傳感器、繼電器、水冷管、輸電線等一些塑料件剛度、強度對整體影響不大，為了減少計算量，將它們以質(zhì)量點的形式施加在相關(guān)單元上。

動力電池模組采用六面體網(wǎng)格劃分，其他均采用殼單元劃分，六面體單元尺寸為8 mm，殼單元尺寸為10 mm。有限元模型如圖1所示，主要材料、屬性及厚度見表1。本文主要對電池包進(jìn)行靜力學(xué)工況分析，電池未發(fā)生失效，故采用均質(zhì)化模型。

圖1 電池包有限元模型Fig.1 Finite element model of the battery pack

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

焊點采用ACM單元如圖2(a)所示，引入實體單元提高計算精度，同時rb3單元不會提高剛度。螺栓由rbe2單元和cbeam單元組成如圖2(b)所示，能夠較好地模擬真實情況中螺栓的固定作用。最終模型共計1 374 252個網(wǎng)格，1 507 302個節(jié)點，雅可比小于0.6的網(wǎng)格只有246個遠(yuǎn)小于5%，總質(zhì)量450.7 kg與實際質(zhì)量誤差小于5%。模型用于仿真分析。

圖2 焊點和螺栓建模形方式Fig.2 Modeling of solder joints and bolts

2 靜力學(xué)典型工況分析

電池包通常占用純電動汽車質(zhì)量的1/3，在靜力學(xué)典型工況中主要受振動載荷及慣性力的作用。為了考察電池包的動力學(xué)特性，對電池包在顛簸、剎車、加速、急轉(zhuǎn)彎等典型工況下進(jìn)行分析，判斷是否具有足夠的強度和剛度，以及是否能夠抵抗復(fù)雜的加速度和慣性力，從而確定電池包是否達(dá)到對電池模組和電器系統(tǒng)的保護作用以及模組是否受損。

參考文獻(xiàn)[13]選取顛簸路面急轉(zhuǎn)彎和顛簸路面急剎車兩種典型工況對電池包進(jìn)行分析。邊界條件加載方式列于表2，其中車輛前進(jìn)方向為X-，駕駛員左側(cè)方向為Z+，垂向為Y+，其中Y向的加速度包含重力加速度。

表2 典型工況及加載方式Tab.2 Typical working conditions and loading methods

電池包通過10個螺栓與車身相連，為了更好地模擬電池包與汽車的真實連接情況，在螺栓孔周圍建立一圈washer，然后用rbe2單元抓取，約束rbe2單元所有自由度。

上蓋主要起封閉作用，不作為這兩種工況下的主要討論對象。為避免rbe2單元剛度太高，導(dǎo)致部分吊耳螺栓孔附近應(yīng)力集中，隱藏與rbe2單元直接相連的washer網(wǎng)格，對吊耳，箱體，加強筋、電池模組等部件進(jìn)行分析。

2.1 顛簸路面急剎車工況

在顛簸路面急剎車工況下，對電池包施加邊界條件為約束吊耳rbe2單元所有自由度。載荷條件為在Y向施加3g加速度，在X向施加3g加速度。結(jié)果如圖3所示。

圖3 顛簸路面急剎車工況應(yīng)力、位移云圖Fig.3 Stress and displacement cloud diagram of sudden braking conditions on bumpy roads

由圖3(a)可知，在顛簸路面急剎車工況下，承受應(yīng)力最大的部位是吊耳與箱體的連接處，應(yīng)力為304.6 MPa，吊耳所采用的材料是Q345鋼材，其屈服值為345 MPa，所以在顛簸路面急剎車這種極限工況下，電池箱體安全，沒有零部件發(fā)生屈服。

王芳等[14]評價電池包靜力學(xué)特性指標(biāo)為：在3g的加速度作用下，結(jié)構(gòu)件的變形不應(yīng)超過3 mm。從圖3(b)分析得到，在顛簸路面急剎車的工況下，電池包X方向上電池模組發(fā)生的最大位移不超過1 mm，由圖3(c)可知，在Y方向上位于電池包中間的模組發(fā)生上下顫動，最大位移1.52 mm，小于3 mm。綜上，該電池包在顛簸路面急剎車工況下結(jié)構(gòu)安全。

2.2 顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況

在顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況下，對電池包施加邊界條件為約束電池包吊耳所有自由度。載荷條件為在Y向施加3g加速度，在Z向施加2g加速度，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力、位移云圖Fig.4 Stress and displacement cloud diagrams of sharp turning conditions on bumpy roads

由圖4(a)可知，電池包在吊耳與汽車固定處出現(xiàn)應(yīng)力最大值231.3 MPa，小于345 MPa。由圖4(b)可知，模組Z方向最大位移為1.119 mm。由圖4(c)可知，在Y向加速度作用下，電池模組發(fā)生了顫動，Y向位移量為1.5 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的評價指標(biāo)，該電池包在顛簸路面急轉(zhuǎn)彎工況下結(jié)構(gòu)安全。

3 約束模態(tài)分析及優(yōu)化

3.1 電池包約束模態(tài)分析

約束模態(tài)求解分析數(shù)學(xué)模型及求解過程如下：

(1)

(2)

自由振動的相應(yīng)振型和固有頻率

{δ}={δ0}sin(ωx+?)

(3)

帶入簡化可得：

([K]-ω2[M]){δ}=0

(4)

自由振動情況下：

([K]-ω2[M])=0

(5)

解出n個實根ω2i(i=1,2,3,…,n):

ω21≤ω22≤…≤ω2n

(6)

提取電池包前6階約束模態(tài)，振型如圖5所示，具體振型描述及頻率見表3。

表3 約束模態(tài)振型及頻率Tab.3 Vibration modes and frequencies of the constraint mode

圖5 前6階約束模態(tài)Fig.5 The first 6-order constraint modes

純電動汽車的主要激勵來源于地面不平度和和電機運轉(zhuǎn)，通常電機產(chǎn)生的激勵小于20 Hz。所以主要考慮路面不平度引起的加速度和位移激勵，電池包的一階頻率應(yīng)該高于由路面不平度引起的激勵。式(7)為路面激振頻率計算公式。

(7)

式(7)中，V為行駛車速，km/h；L為路面不平度波長，m。表4列出了國內(nèi)常見路面的激振頻率[15]。

表4 常見路面的激振頻率Tab.4 Excitation frequencies of common road surfaces

從表4可知，為了避免共振，電池包一階頻率應(yīng)該高于27.78 Hz。從表3得出，電池包前兩階頻率都低于27.78 Hz，且第二階頻率與平坦路面下的激振頻率極為接近，提示上蓋剛度不足，應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 電池包上蓋拓?fù)鋬?yōu)化

優(yōu)化思路：現(xiàn)有動力電池上蓋多為復(fù)合材料，采用模壓成型，厚度容易控制，且控制成本較低。由于上蓋剛度較弱，導(dǎo)致電池包一階約束模態(tài)頻率偏低，通過厚度優(yōu)化設(shè)計，提升電池包一階約束模態(tài)頻率。拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

(8)

圖6 優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimization results

紅色區(qū)域厚度為4 mm，以此為參考，重新在Creo軟件中設(shè)計上蓋，將重新設(shè)計的電池包模型進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化后的一階約束模態(tài)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后一階約束模態(tài)28.4 HzFig.7 The optimized first-order constrained mode 28.4 Hz

對優(yōu)化后的模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，得出第一階頻率為28.4 Hz，高于27.78 Hz，有效地避開了路面的激振頻率。圖8為優(yōu)化前后電池包前6階約束模態(tài)頻率對比，相比于優(yōu)化之前頻率都有提高。優(yōu)化厚度之后上蓋質(zhì)量增加1.58 kg，對整車影響較小。

圖8 優(yōu)化前后前6階約束模態(tài)頻率Fig.8 The first 6 constrained modal frequencies before and after optimization

4 結(jié)論

本文模擬了該動力電池兩種極限工況，得出電池包在這兩種工況下均滿足條件。提取電池包前6階約束模態(tài)，分析得出第一階頻率較低，上蓋剛度較低，與地面的激勵形成共振且對電池模組發(fā)生干涉，對電池造成危害。

運用拓?fù)鋬?yōu)化方法，對上蓋進(jìn)行厚度優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過4次迭代，優(yōu)化后一階頻率達(dá)到28.4 Hz，高于27.78 Hz ，改進(jìn)了上蓋的剛度，提高了一階頻率，避開路面的激振頻率。提升了電池包的動力學(xué)性能，為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考。