鄒賓興

摘 要：電池包作為電動汽車重要的組成部件，路面?zhèn)鬟f的隨機激勵是電池包失效的重要原因。本文根據(jù)有限元建模，單位載荷的應力響應求解及疲勞損傷的計算。對電池包存在疲勞損傷值過大的情況，研究了通過提升電電池包模態(tài)頻率以改善隨機振動疲勞特性的優(yōu)化思路。最后再通過進行臺架實驗，驗證了所分析思路和優(yōu)化效果的有效性。

關鍵詞：電池包 隨機振動 疲勞 功率譜密度

近年來，汽車行業(yè)面臨巨大變革，產業(yè)生產模式、競爭格局都在發(fā)生深刻變化，全球電動汽車銷量再創(chuàng)新高，電動汽車將成為制造業(yè)核心競爭力提升中的重要一項。由此可見，在市場及政策引導下電動車將替代燃油車成為主要的交通運輸工具，其相關技術的開發(fā)也成為車企重點摸索的方向。

電池包系統(tǒng)作為不可缺少的核心部件，是車輛運行提供動力的心臟，其結構安全至關重要。在車輛行駛過程過程中，受路面?zhèn)鬟f而來的外部振動載荷復雜，且隨機性大。因此，研究電池包在隨機外部振動載荷下的結構特性，具有重要的工程意義[1]。戴江梁等[2]基于隨機振動理論與頻域疲勞分析法，研究了電池包結構的失效機理。王文偉等[3]基于三區(qū)間法計算了測試標準下電池包結構的振動疲勞特性。孫小卯等[4]基于電池包動態(tài)特性，研究了電池包在振動過程中產生的疲勞問題。本文將主要從電池包結構的隨機振動疲勞方面進行分析研究。

1 電池包模型建立

本文研究的電池包結構主要包括了電池包箱蓋，電池模組，箱體及電池包底板等，為提升計算效率，建模之前，將電池包中包含的線纜、接口、繼電器等對電池包結構性能影響不大模塊省略。本文采用Hypermesh軟件進行建模，建模過程中將尺寸較小的結構如圓角、翻邊進行適當簡化[5]。電池包整個箱體材料為AL6061，電池包箱蓋和底板材料為Al5083，電池包整體重量545kg。

電池包本體結構通過抽中面及殼單元對電池包進行網格劃分，單元平均尺寸取8mm。對箱體結構中一體成型的部分，在公共邊處采用共節(jié)點的方式連接，對焊接形式的連接結構，采用焊縫單元（Hexa+Reb3）進行連接。電池模組采用六面體單元進行網格建模。對于安裝孔，根據(jù)螺栓選型的尺寸添加washer，并采用全約束的Reb2單元抓取washer上的單元節(jié)點。通過bar單元模擬螺栓連接。檢查網格單元質量，不能存在重疊或無連接的孤立單元等?；谏鲜鼋Ｒ?guī)范及標準，建立好的電池包網格模型如圖1所示。。模型共有單元數(shù)1002423個，包含節(jié)點數(shù)896291個，其中三角形單元占比為0.2%。

2 電池包隨機振動疲勞分析

基于隨機振動疲勞的理論分析，首先需獲得在頻域內，單位載荷下電池包結構的應力響應。本文采用Nastran求解器，約束電池包26個安裝點（箱體22個，箱蓋4個）的全自由度。根據(jù)國標GB/T 31467.3-2015要求，求解頻率范圍為0～200Hz，并分別從X、Y、Z三個方向加載單位加速度（1G）激勵，進行模態(tài)頻率響應分析，最終獲得電池包的三方向載荷-應力響應的傳遞函數(shù)曲線，如圖2所示。

由計算結果可知單位載荷在電池包Z向產生的應力較大，與其他兩方向相比，Z向工況較為惡劣。在得到傳遞函數(shù)的基礎上，對電池包隨機振動疲勞的求解，還需要通過材料性能近似推算材料的SN曲線。電池包材料參數(shù)如表1所示。

通過材料參數(shù)近似擬合的SN曲線如圖3所示。

本文參照企業(yè)實驗標準的加速度激勵功率譜密度，如圖4所示，并基于Dirlik法及goodman平均應力修正法，在Ncode軟件Vibration模塊中對電池包疲勞損傷進行求解計算。計算結果如圖5所示。

從分析結果中可知。電池包損傷值為33，遠超過損傷值小于1的要求，最大位置位于底板的前、后、中部的固定孔處，并呈現(xiàn)對稱式分布。通過圖4發(fā)現(xiàn)，Z向功率譜密度在頻率5～15Hz區(qū)間內最大，正好與傳遞函數(shù)中Z向的最大應力響應相重合，兩者疊加可造成應力功率譜密度在5～15Hz頻率區(qū)間內峰值變大，最終造成電池包結構的損傷出現(xiàn)失效風險。因此，對于電池包振動疲勞性能的優(yōu)化主要從避免傳遞函數(shù)的最大應力響應頻域區(qū)間與激勵載荷的峰值頻域區(qū)間重合。

3 電池包疲勞性能優(yōu)化

為使得傳遞函數(shù)的頻域響應區(qū)間避開5～15Hz范圍，可通過提升電池包結構的剛度，以增加電池包在低頻區(qū)間內的局部模態(tài)。由于電池包底板的損傷值較大，重點提升底板的局部剛度。為此，在底板與箱體部分可接觸范圍內增加玻璃膠粘接。

采用同樣的分析方法，求解電池包單位載荷應力響應的傳遞函數(shù)，如圖6所示，并計算電池包的疲勞損傷，如圖7所示。

由圖5、圖6結果可以看出，在20～50Hz內單位載荷的在三方向的應力響應都比較低，Z項的響應峰值出現(xiàn)在60Hz左右處。而最大損傷位置也不在底板處，而是發(fā)生在箱體內部，并且最大損傷值只有0.3，滿足設計要求。由此可見，本文提出的優(yōu)化方法有顯著效果。

4 實驗驗證

根據(jù)優(yōu)化方案的結論，制作電池包樣件。按圖4中加速度激勵功率譜密度作為臺架隨機振動激勵輸入，分別進行Z向12h，X向12h，Y向12h實驗。臺架實驗過程如圖8所示。

整體實驗完成后，經檢查，未發(fā)現(xiàn)電池包結構存在裂紋或變形等形式的結構損傷。證明了優(yōu)化方案的可靠性，也間接證明了優(yōu)化分析思路的有效性。

5 結語

本文基于隨機振動疲勞理論，通過建立電池包有限元模型，從振動疲勞的角度介紹了電池包隨機振動疲勞的仿真方法，對于電池包存在疲勞失效風險的情況，進行了理論分析。并提出了改善電池包局部剛度以提升電池包模態(tài)頻率的優(yōu)化思路，從仿真結果來看，傳遞函數(shù)最大應力響應的頻率范圍避開加速度功率譜密度峰值頻率區(qū)間，可有效降低電池包疲勞失效的風險。最后基于企業(yè)實驗標準進行臺架實驗，驗證了所提優(yōu)化方案和優(yōu)化思路的有效性。

參考文獻：

[1]陳琪.隨機激勵下電動汽車動力電池包結構疲勞性能研究[D].華南理工大學，2017.

[2]戴江梁，熊飛，劉靜，等.基于某車型動力電池包的隨機振動疲勞分析與結構設計改進[J].機械強度，2020，42（05）：1266-1270.

[3]王文偉，程雨婷，姜衛(wèi)遠，等.電動汽車電池箱結構隨機振動疲勞分析[J].汽車工程學報，2016，6（01）：10-14.

[4]孫小卯.某型電動汽車電池包結構分析及改進設計[D].長沙：湖南大學，2013.

[5]蘆欣，趙建平.路面隨機激勵下長管拖車框架疲勞分析[J].石油化工設備，2019，48（03）：1-6.