儲能系統(tǒng)用母線排電場及靜力學(xué)仿真分析

楊 釗 董 瑞 王 莉 張玉榮 李亮亮

儲能系統(tǒng)用母線排電場及靜力學(xué)仿真分析

楊 釗 董 瑞 王 莉 張玉榮 李亮亮

（西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司，西安 710018）

儲能集裝箱內(nèi)的母線排主要用于電池模塊的充放電作業(yè)，充放電過程中的電壓和電流往往較大，若母線排的空間布置不合理，很有可能由于絕緣距離不夠而造成對地擊穿；或者因為結(jié)構(gòu)強度設(shè)計不合理，在運輸、充放電過程中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形或破壞，影響儲能集裝箱的運行可靠性。本文以儲能集裝箱內(nèi)母線排為例，介紹母線排的主要結(jié)構(gòu)與工作情況，并使用有限元分析軟件Ansys Mechanical APDL對母線排在充放電時的電場分布進行分析。為了驗證母線排結(jié)構(gòu)強度是否滿足使用要求，使用Ansys Workbench對母線排在運輸、作業(yè)、共振等工況下的受力情況進行分析，結(jié)果驗證了此種儲能集裝箱母線排結(jié)構(gòu)的合理性，可為同類電氣零部件設(shè)計提供參考。

母線排；電場強度；屈服強度

0 引言

儲能集裝箱內(nèi)的母線排主要用于電池模塊的充放電作業(yè)，是儲能集裝箱的重要組成部分之一，它的可靠運行將直接影響儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于母線排在電池充放電過程中的電壓與電流較大，在母線排的設(shè)計過程中，必須考慮其空間布置是否滿足電氣絕緣要求[1]。在母線排的結(jié)構(gòu)強度方面：一是要考慮母線排隨集裝箱運輸時在重力加速度、轉(zhuǎn)彎側(cè)向加速度、剎車制動加速度作用下的變形與應(yīng)力；二是要考慮母線排作業(yè)時在重力加速度、地震力及電動力作用下的變形與應(yīng)力；三是要考慮母線排的固有頻率，在運輸和作業(yè)時盡量回避，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

本文以某儲能集裝箱母線排為例，基于Ansys軟件的電場與靜力學(xué)仿真分析模塊，通過AutoCAD和UG軟件建立二維電場分析模型和三維結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件與力學(xué)載荷，對集裝箱內(nèi)母線排系統(tǒng)在不同工況下的電場及結(jié)構(gòu)強度進行分析，并將最終的仿真結(jié)果與各種材料的理論極限值進行比對，以驗證母線排結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為此類電氣設(shè)備的設(shè)計提供參考。

1 母線排結(jié)構(gòu)與工況分析

儲能集裝箱內(nèi)的母線排結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，共包括4種主要部件：瓷質(zhì)絕緣子、銅母線排、環(huán)氧樹脂板、環(huán)氧樹脂角板。銅母線排總共有“+”極和“-”極兩根，使用螺栓將環(huán)氧樹脂板和環(huán)氧樹脂角板固定在“+”極和“-”極銅母線排之間，保證“+”極和“-”極銅母線排之間的相對穩(wěn)定與絕緣距離。銅母線排上部連接有瓷質(zhì)絕緣子，再通過螺栓將瓷質(zhì)絕緣子固定在儲能集裝箱的天花板（金屬材質(zhì)）上，利用瓷質(zhì)絕緣子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及絕緣性，保證整個母線排系統(tǒng)的相對固定及相對于集裝箱天花板的絕緣性。

圖1 母線排結(jié)構(gòu)示意圖

母線排在電池進行充放電的過程中需要考慮的工況主要有：①母線排帶電后的電場強度分布與絕緣情況；②母線排結(jié)構(gòu)在正常運輸、作業(yè)時的受力和變形情況，以及母線排在此種工況下應(yīng)回避的固有頻率。

為獲得上述工況下母線排的工作狀態(tài)，需對母線排結(jié)構(gòu)進行電場和靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，驗證其空間布置及結(jié)構(gòu)的合理性。

2 電場分析

電場分析的步驟有：建立模型、指定材料、劃分網(wǎng)格、施加邊界條件、求解、結(jié)果后處理[2-3]。Ansys Mechanical APDL電場仿真分析的流程如圖2所示。

由于儲能集裝箱是一個比較規(guī)則的長方體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿長度方向基本一致，那么僅需要截取儲能集裝箱某一段的橫截面進行二維的電場分析，就可以說明母線排在帶電后的電場強度分布情況[4]。

圖2 電場仿真分析流程

儲能集裝箱艙體的橫截面如圖3所示，除了母線排系統(tǒng)中包含的瓷質(zhì)絕緣子、銅母線排、環(huán)氧樹脂板、固定螺栓外，還包含電纜槽盒、電池架、集裝箱艙體。

圖3 儲能集裝箱艙體橫截面

為了滿足充放電作業(yè)時的容量要求，儲能集裝箱中的電池模塊往往需要各種形式的串聯(lián)與并聯(lián)，這樣就會在母線排上產(chǎn)生一個較大的電壓，本文中的母線排系統(tǒng)在充電時的最大終止充電電壓約為900V，下面以20℃和一個標準大氣壓為環(huán)境條件，對母線排在最大充電電壓下的電場進行分析。

使用Ansys Mechanical APDL進行電場仿真所需的二維模型可通過AotoCAD或CAXA進行繪制，繪制完成后保存成igs格式導(dǎo)入Ansys Mechanical APDL中。模型除了包含儲能集裝箱艙體橫截面內(nèi)的各部件外，還需要建立相應(yīng)的求解域，一般以模型的外輪廓為基礎(chǔ)，向外延伸5倍的輪廓線距離作為求解域的邊界。

在進行電場分析時，電場強度的分布除與電壓有關(guān)外還與帶電體周圍物體的材質(zhì)有關(guān)，由于各種材質(zhì)的介電常數(shù)不同，導(dǎo)致帶電體周圍的電場在各種物質(zhì)上呈現(xiàn)出不同的分布狀態(tài)，本文所述儲能集裝箱艙體內(nèi)各零件介電常數(shù)見表1。

表1 艙體內(nèi)各零件介電常數(shù)

在進行電場分析時，可以使用Ansys Mechanical APDL內(nèi)默認的自動劃分模式對模型進行網(wǎng)格劃分。

由于艙體、電池架及電纜槽盒最終均會接地，故在艙體、電池架及槽盒上施加0V電壓，在求解域的邊緣處也施加0V電壓，在銅母線排上施加+900V的電壓。施加完以上邊界條件后即可對模型進行求解。求解完成后，對結(jié)果進行后處理，使其顯示出母線排周圍的電壓和電場強度分布，分別如圖4和圖5所示。

圖4 母線排周圍電壓分布

由圖4可知，當(dāng)母線排帶有900V最大充電終止電壓時，在銅母線排的邊緣、絕緣子的上傘裙處出現(xiàn)了電場集中的現(xiàn)象，但該處的電場強度僅為137V/mm，遠小于空氣的擊穿強度3kV/mm，也遠小于陶瓷的擊穿強度14kV/mm，說明本文所論述的母線排結(jié)構(gòu)與周圍其他零部件間的距離滿足電氣絕緣的要求。

圖5 母線排周圍電場強度分布

通過圖5可知，當(dāng)母線排周圍間距在2～4mm（根據(jù)CAD圖紙測量所得）時，電場強度分布較集中。因此，為驗證母線排與艙體間的安全距離，對同等條件不同間距下的母線排結(jié)構(gòu)進行仿真。不同間距下母線排周圍電場強度分布如圖6～圖8所示，當(dāng)母線排與艙體頂面距離3.5mm時，最大電場強度約為2.7kV/mm；當(dāng)母線排與艙體頂面距離3.2mm時，最大電場強度約為2.9kV/mm；當(dāng)母線排與艙體頂面距離3mm時，最大電場強度約為3.2kV/mm。由此可以確定在900V的電壓下，此種母線排結(jié)構(gòu)對艙體的安全距離約為3.2～3.5mm，但可以確定當(dāng)間距大于3.2mm時是絕對安全的。由于瓷質(zhì)絕緣子尺寸限制，以及母線排受力變形的影響，本文所述母線排結(jié)構(gòu)的空間布置已是最優(yōu)狀態(tài)。

圖6 間距3.5mm時母線排周圍電場強度分布

3 靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

Ansys Workbench靜力學(xué)仿真分析流程如圖9所示。從圖9可知，靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析的步驟有：建立三維模型、指定材料、劃分網(wǎng)格、施加約束及載荷、求解、結(jié)果后處理[5-6]。

圖7 間距3.2mm時母線排周圍電場強度分布

圖8 間距3mm時母線排周圍電場強度分布

圖9 靜力學(xué)仿真分析流程

在進行母線排的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析時，僅需要針對母線排自身的結(jié)構(gòu)進行分析，并不需要將整個艙體及其他零部件一同導(dǎo)入Ansys Workbench中計算。本文母線排的結(jié)構(gòu)計算需要考慮三種工況，即運輸工況、作業(yè)工況和產(chǎn)生共振的工況。

在運輸工況下，引起母線排產(chǎn)生變形和應(yīng)力的載荷主要有重力加速度、轉(zhuǎn)彎側(cè)向加速度、剎車制動加速度；在作業(yè)工況下，引起母線排產(chǎn)生變形和應(yīng)力的載荷主要有重力加速度、地震力及母線排通電后的電動力；母線排的共振是母線排的固有屬性，無需外加載荷。

在進行上述三種工況下的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計算時，Ansys Workbench提供了可以進行關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)共享設(shè)置，僅需在第一種工況下對母線排進行模型導(dǎo)入、指定材料、網(wǎng)格劃分的操作，其余兩種工況可以通過分析模塊的拖拽實現(xiàn)數(shù)據(jù)及設(shè)置的共享，如圖10所示。

圖10 三種工況的數(shù)據(jù)及設(shè)置共享

使用Ansys Workbench進行靜力學(xué)分析所需的三維模型可通過Solidworks或UG進行創(chuàng)建，模型主要包括瓷質(zhì)絕緣子、銅母線排、環(huán)氧樹脂板、環(huán)氧樹脂角板。創(chuàng)建完成后保存成x_t格式導(dǎo)入Ansys Workbench中。

在進行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析時，各零件的材料是影響母線排變形和應(yīng)力大小的主要因素之一。本文所述儲能集裝箱艙體內(nèi)各零件材料屬性見表2[7]。

表2 艙體內(nèi)各零件材料屬性

使用Ansys Workbench內(nèi)默認的自動劃分模式對模型進行網(wǎng)格劃分。在給模型施加載荷及約束時，需根據(jù)不同的工況進行施加。

3.1 運輸工況

母線排安裝于集裝箱內(nèi)的天花板上，使用固定螺栓將母線排上的8個絕緣子與集裝箱艙體天花板進行連接。在運輸工況下進行母線排強度分析時，可以將母線排上的8個絕緣子上頂面進行固定，然后施加相應(yīng)的極限運輸載荷進行計算。運輸工況下母線排所承受的載荷見表3。

表3 運輸工況下母線排所承受的載荷

完成上述設(shè)置與處理后，即可對母線排結(jié)構(gòu)進行求解及后處理，使其顯示出母線排系統(tǒng)中各零件在運輸工況下的變形與應(yīng)力，分別如圖11～圖14所示。

圖11 瓷質(zhì)絕緣子的變形和應(yīng)力（運輸工況）

圖12 銅母線排的變形和應(yīng)力（運輸工況）

圖13 環(huán)氧樹脂板的變形和應(yīng)力（運輸工況）

圖14 環(huán)氧樹脂角板的變形和應(yīng)力（運輸工況）

3.2 作業(yè)工況

母線排在充放電作業(yè)時，可能承受的極限載荷有重力加速度、地震力及電動力，并需考慮一定量的安全系數(shù)。

由于兩根母線排是平行的，且電流方向相反，那么兩銅母線排間的電動力為互斥的相互作用力。平行導(dǎo)體間電動力的計算公式[8]為

式中：為電動力；1、2為兩根銅母線排中的電流；為兩根銅母線排的長度；為兩根銅母線排間的距離。

由式（1）可知，電動力的大小隨母線排上電流的變化而變化，當(dāng)母線排上出現(xiàn)最大極限電流時，母線排的電動力最大。當(dāng)儲能集裝箱電池組發(fā)生直流短路時，母線排上就會出現(xiàn)最大極限電流，即儲能系統(tǒng)直流短路電流，那么1和2均按儲能系統(tǒng)直流短路電流取值。電動力計算所需參數(shù)見表4。將表4中的參數(shù)代入式（1），可得電動力≈145.1N。

表4 電動力計算所需參數(shù)

結(jié)合上述計算，在進行母線排充放電作業(yè)結(jié)構(gòu)強度分析時，仍將母線排上的8個絕緣子上頂面進行固定，按照表5的數(shù)據(jù)對母線排施加載荷。

表5 作業(yè)工況下母線排所承受的載荷

完成上述設(shè)置與處理后，即可對母線排結(jié)構(gòu)進行求解及后處理，使其顯示出母線排系統(tǒng)中各零件在作業(yè)工況下的變形與應(yīng)力，分別如圖15～圖18所示。

3.3 產(chǎn)生共振時工況

任何物體的固有頻率都是它自身的固有屬性，無需外加載荷與約束，使用模態(tài)分析對母線排系統(tǒng)進行固有頻率計算。

圖15 瓷質(zhì)絕緣子的變形和應(yīng)力（作業(yè)工況）

圖16 銅母線排的變形和應(yīng)力（作業(yè)工況）

圖17 環(huán)氧樹脂板的變形和應(yīng)力（作業(yè)工況）

圖18 環(huán)氧樹脂角板的變形和應(yīng)力（作業(yè)工況）

完成上述設(shè)置與處理后，即可對母線排結(jié)構(gòu)進行求解及后處理，使其顯示出母線排的固有頻率，如圖19所示。

圖19 母線排系統(tǒng)的固有頻率

對母線排系統(tǒng)的運輸、作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果見表6。

表6 運輸、作業(yè)工況下母線排系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果

3.4 試驗驗證

對母線排系統(tǒng)進行模態(tài)分析，可以得到母線排系統(tǒng)的固有頻率為2.33×10-3Hz、0.432Hz、0.573Hz、2.552Hz，那么在母線排系統(tǒng)隨集裝搬運或作業(yè)過程中，需要盡量回避上述4個頻率。儲能集裝箱在作業(yè)時不會產(chǎn)生周期性激勵，僅在運輸過程中會承受車輛發(fā)動機產(chǎn)生的振動，而車輛發(fā)動機產(chǎn)生的振動范圍一般為16～125Hz，與母線排的4個共振頻率相差很大，因此不會引起共振。

為驗證上述分析的正確性，將母線排安裝在集裝箱內(nèi)，對母線排進行吊裝（CSC認證）及顛振試驗，如圖20和圖21所示。

圖20 CSC吊裝試驗

圖21 運輸顛振試驗

經(jīng)過試驗驗證，在吊裝及顛振運輸（加速度為4）狀態(tài)下，母線排未產(chǎn)生明顯變形及破壞，說明此母線排結(jié)構(gòu)合理，滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文以某儲能集裝箱內(nèi)的母線排為研究對象，使用AutoCAD和UG軟件建立二維電場分析模型和三維結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，并使用Ansys Mechanical APDL和Ansys Workbench軟件對集裝箱內(nèi)母線排系統(tǒng)在不同工況下的電場及結(jié)構(gòu)強度進行分析，并將最終的仿真結(jié)果與各種材料的理論極限值進行比對，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)電場仿真的結(jié)果，可以判定本文論述的母線排結(jié)構(gòu)與周圍其他零部件間的距離滿足電氣絕緣的要求，空間結(jié)構(gòu)布置合理。

2）根據(jù)靜力學(xué)結(jié)構(gòu)仿真的結(jié)果，可以判定母線排結(jié)構(gòu)中的各零部件在運輸及充放電作業(yè)時所承受的應(yīng)力遠小于其極限破壞強度，說明該母線排結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求。

3）由于儲能集裝箱在作業(yè)時沒有周期性振動激勵，那么僅需將母線排模態(tài)分析的結(jié)果與儲能集裝箱在運輸過程中可能承受的振動頻率進行對比，二者相差很大，故母線排結(jié)構(gòu)在運輸及作業(yè)過程中不會產(chǎn)生共振，結(jié)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定。

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Electric field and statics simulation analysis of busbar for energy storage system

YANG Zhao DONG Rui WANG Li ZHANG Yurong LI Liangliang

(Xi’an XD High Voltage Apparatus Co., Ltd, Xi’an 710018)

The busbars in the energy storage container are mainly used for charging and discharging the battery. There are often large voltages and currents during the charging and discharging process. If the layout of the busbars is unreasonable, it is likely to discharge which is caused by insufficient insulation distance, or because of unreasonable structural strength design, structural deformation or damage occurs during transportation, charging and discharging, which affects the operational reliability of the energy storage container. This article takes the busbar in an energy storage container as an example, introduces the main structure and working conditions of the busbar, and uses Ansys Mechanical APDL to analyze the electric field distribution of the busbar during charging and discharging. In order to verify whether the strength of the busbar structure meets the application requirements, Ansys Workbench is used to analyze the force of the busbar in transportation, operation, resonance and other working conditions. Through analysis, the structural rationality of this kind of energy storage container busbar is verified, which provides reference for the design of similar electrical components.

busbar; electric field strength; yield strength

2021-09-30

2021-10-18

楊 釗（1987—），男，陜西咸陽人，碩士，主要從事高壓電器、分布式園區(qū)微電網(wǎng)、直流配電網(wǎng)等設(shè)計工作。