基于CAE技術(shù)的新能源儲能電池箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究*

徐 珂，張繼陽，王英姿

(1.河南工學(xué)院 工程技術(shù)教育中心，河南 新鄉(xiāng)453003；2.河南工學(xué)院 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003)

0 引言

在國家政策的強(qiáng)力推動下，我國的可再生能源開發(fā)利用規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，風(fēng)能、太陽能等新能源的發(fā)展已成為推動能源轉(zhuǎn)型的重要措施和實(shí)現(xiàn)“碳中和”的重要途徑。這些新能源廣泛用于發(fā)電系統(tǒng)中，所占比例逐年增加，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，但同時(shí)其自身所固有的隨機(jī)性、間歇性和波動性等特征，對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[1]。

將規(guī)?；碾姵貎δ芗夹g(shù)應(yīng)用于新能源發(fā)電領(lǐng)域，能夠增強(qiáng)新能源發(fā)電的可控性，改善電能質(zhì)量，保障應(yīng)急供電，有效提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。這種儲能是通過將多個鋰電池單元通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式集成在電池箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，但由于鋰電池的安全性問題和鋰電池系統(tǒng)易受工藝、環(huán)境溫度等因素影響，所以對存放鋰電池的電池箱的結(jié)構(gòu)可靠性有嚴(yán)格的要求[2-3]。本文提出一種基于CAE建模仿真的方法，結(jié)合實(shí)際工況，對新能源儲能電池箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，以設(shè)計(jì)得到高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的電池箱，保證新能源儲能裝置的安全性和可靠性。

1 新能源儲能電池箱模型化及網(wǎng)格劃分

本文采用Pro/E三維軟件繪制新能源儲能電池箱的三維模型，隱藏了電池單元和電池管理系統(tǒng)的三維模型圖如圖1所示。

圖1 新能源儲能電池箱三維模型

在長時(shí)間靜置或運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，儲能系統(tǒng)的電池箱可能出現(xiàn)斷裂或者由于震動造成內(nèi)部電池短路，所以為了提高電池箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，引入有限元建模，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[4]。

通常，在小變形量的靜態(tài)工況下，各向同性的材料僅需要考慮利用彈性模量、密度和泊松比這三項(xiàng)基本參數(shù)進(jìn)行模擬分析。但在可能出現(xiàn)的極端工況下，由于結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大變形，甚至超出材料的彈性范圍，進(jìn)入塑性屈服階段，故應(yīng)在模型中引入塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，以更好地模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)變形情況[5]。計(jì)算公式如下:

其中：

式中：m1和m2表示彈性變率，σys為屈服應(yīng)力，σuts為強(qiáng)度極限。

儲能箱的箱體為Q235B材質(zhì)，箱蓋為鋁錳合金材質(zhì)，總質(zhì)量為40kg。其中各部件材質(zhì)、彈性模量、密度、泊松比、屈服極限和強(qiáng)度極限參數(shù)詳見表1。方程中曲線擬合指數(shù)和彈性應(yīng)變率分別取值0.068和2.0×10-5，其余參數(shù)選用默認(rèn)值。

表1 儲能箱所用材料性能參數(shù)

在簡化計(jì)算模型時(shí)，盡量使參數(shù)模型和實(shí)際設(shè)計(jì)模型一致。根據(jù)實(shí)際工況，在箱體模型上添加質(zhì)量為300kg的電池模組，受力面為箱體的下底面與側(cè)面，下底面主要受到重力載荷，側(cè)面主要受到?jīng)_擊載荷。儲能電池箱通過CAE軟件設(shè)定相應(yīng)的分析方向，X軸為長度方向，Y軸為寬度方向，Z軸為上下方向。

由于電池箱的結(jié)構(gòu)相對較為規(guī)則，因此利用ANSYS模塊中的meshing網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，網(wǎng)格的類型是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2 劃分網(wǎng)格圖

2 基于CAE技術(shù)的電池箱仿真分析及優(yōu)化

2.1 電池箱的約束模態(tài)分析

通過 Optistruct 模塊下的載荷集 Load Collector，定義模型的模態(tài) EIGRL 參數(shù)，在忽略阻尼障礙的基礎(chǔ)上，設(shè)置掃描頻率為 0～300Hz。根據(jù)模型模態(tài)分析原理，階數(shù)較低的模態(tài)對電池箱體的結(jié)構(gòu)影響突出，因而抽取前二十六階固有頻率做數(shù)據(jù)對比。在 SUBCASE 中調(diào)用模態(tài)參數(shù)EIGRL 和約束參數(shù)SPC，求解約束模態(tài)。電池箱前二十六階約束模態(tài)的固有頻率如圖3所示。

圖3 約束狀態(tài)固有頻率

由于一階約束模態(tài)振動強(qiáng)度較低，在此狀態(tài)下箱蓋受影響較大，主要表現(xiàn)為箱蓋中心位置在YZ平面內(nèi)沿X 軸正方向的一階垂向變化，如圖4所示。而二十六階約束模態(tài)振動強(qiáng)度較大，整個電池箱受振動變形較大，主要表現(xiàn)為箱底橫梁局部受力較大，發(fā)生明顯的焊點(diǎn)脫落，箱蓋呈現(xiàn)多處沿X軸正方向的變形，如圖5所示。

圖4 一階振型云圖

圖5 二十六階振型云圖

由電池箱的約束模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)電池箱容易振動的位置強(qiáng)度不足，對比約束模態(tài)的前二十六階振型可以看出，前十階振型均為箱蓋的不同形式的上下振動，變形形式為蓋體的彎曲變形。隨著振型階數(shù)升高，箱體底面和箱蓋發(fā)生共振，故箱蓋局部強(qiáng)度嚴(yán)重不足，建議增加加強(qiáng)筋的數(shù)量；箱體底板制造加工工藝需要改進(jìn)，應(yīng)由原平板焊接設(shè)計(jì)改為邊緣進(jìn)行折彎處理，并在下部焊接加強(qiáng)筋，這樣既能夠提高箱體的穩(wěn)定性，也可以增加箱體的防水性。

2.2 電池箱的隨機(jī)振動分析

電池箱在使用過程中，會受到工作環(huán)境的影響，要適應(yīng)不同的振動強(qiáng)度，因此，需要對電池箱進(jìn)行振動強(qiáng)度的有限元分析。

模擬振動采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31467.3—2015，按實(shí)際模型擺放位置加載載荷。首先規(guī)定模型中X、Y、Z的方向，接著對任意兩個方向的平動自由度進(jìn)行約束，然后在第三方向上施加與加速度載荷等效的力載荷，最后通過模態(tài)疊加，快速得到在第三個方向上的各種頻率組合下的隨機(jī)振動響應(yīng)。

X方向振動時(shí)，電池箱在50Hz頻率激勵下的應(yīng)力分布如圖6所示。由圖6可知，此時(shí)最大響應(yīng)為167MPa，最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在箱底部的螺紋孔和箱側(cè)壁固定板焊接處。此區(qū)域是強(qiáng)度薄弱部位，也是電池承載和固定的關(guān)鍵部位，故應(yīng)采取增加厚度和焊點(diǎn)數(shù)量的方式予以加強(qiáng)。

圖6 電池箱在50Hz的X方向應(yīng)力分布圖

Y方向振動時(shí)，電池箱在90Hz頻率激勵下的應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可知，此時(shí)最大響應(yīng)為170MPa，最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在底部固定孔和側(cè)壁橫梁固定板處。此區(qū)域是強(qiáng)度薄弱位置，故應(yīng)增加底部固定螺絲的焊點(diǎn)數(shù)量和加大固定板的鋼板厚度。

圖7 電池箱在90Hz的Y方向應(yīng)力分布圖

Z方向振動時(shí)，電池箱在95Hz頻率激勵下的應(yīng)力分布如圖8所示。由圖8可知，此時(shí)最大響應(yīng)為212MPa，最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在側(cè)壁的加強(qiáng)筋和底部的固定梁上。此區(qū)域是強(qiáng)度薄弱位置，故應(yīng)加大加強(qiáng)筋的鋼材厚度和增加固定梁的焊點(diǎn)數(shù)量。

圖8 電池箱在95Hz的Z方向應(yīng)力分布圖

根據(jù)儲能電池箱約束模態(tài)分析和振動分析，得出在多種頻率下電池箱的受力和振動情況：電池箱蓋受振動影響較大，出現(xiàn)變形的情況最多；電池箱體的側(cè)壁加強(qiáng)筋和底部的螺紋孔處的動力學(xué)應(yīng)力響應(yīng)最為明顯。仿真結(jié)果顯示，調(diào)整電池箱的結(jié)構(gòu)形狀能夠很好地解決這些問題：在儲能電池箱的箱蓋增加加強(qiáng)筋的數(shù)量以提升箱蓋局部強(qiáng)度；在儲能電池箱的箱體中增大加強(qiáng)筋的厚度以增加強(qiáng)度，優(yōu)化各零部件焊接的精度、強(qiáng)度和焊點(diǎn)數(shù)量，能夠減小應(yīng)力響應(yīng)。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用CAE對新能源儲能電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型化分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果提出了滿足實(shí)際工況需求的結(jié)構(gòu)。采用CAE技術(shù)和實(shí)際模型相結(jié)合獲得滿足性能要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)的方法，能夠提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提高新能源儲能裝置的安全性和可靠性。