夏旭東 張書堂 黃會茹 邵志鋒

XIA Xu-dong et al

河南森源重工有限公司 河南長葛 461500

1 前言

電池包作為純電動車輛的能量來源，是純電動車輛的核心部件，其結構的可靠性及安全性非常重要。參考電池車輛安裝位置和GB/T 2423.43 -2008《電工電子產品環(huán)境試驗第2部分 試驗方法振動、沖擊和類似動力學試驗樣品的安裝的要求》[1]，將電池包安裝在試驗臺上時，電池應進行15 min正弦波振動，振動頻率從7 Hz增加至50 Hz再回至7 Hz?，F對某電池包進行振動試驗，發(fā)現在20～24 Hz時，模組及模組固定支架附近發(fā)生共振現象，為解決該問題，現對該電池包進行模態(tài)分析，同時為后續(xù)結構設計打下基礎。

2 電池包有限元模型的建立及模態(tài)分析

首先根據電池包的結構及尺寸，采用軟件ProE建立電池包的三維實體模型[2]。將三維實體模型保存為通用Stp格式，導入HyperMesh分析軟件，箱體及支架的材料為Q235，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量2.10×105；模組為復合材料，密度為1.70×103kg/m3，泊松比0.4，彈性模量為5.50×103。箱體及支架采用殼單元，模組采用4面體單元，1d單元模擬焊接及螺栓連接等，共劃分36 3761個單元，391 081個節(jié)點[3-4]。

約束固定電池包安裝支架，限制6個自由度，模擬實際裝車及試驗條件[3-4]。有限元模型如圖1所示，隱藏頂蓋內部結構如圖2所示。

設置模態(tài)分析參數，求解前5階模態(tài)， 如圖3所示[3-4]。

使用OptiStruct軟件對其模態(tài)進行分析，其結果如圖4所示。計算所得前5階模態(tài)振動頻率如表1所示。

圖1 電池包有限元模型

圖2 電池包有限元模型（隱藏頂蓋）

圖3 模態(tài)分析參數

表1 電池包各階模態(tài)固有頻率

圖4 電池包模態(tài)圖

對頂蓋進行模態(tài)分析，發(fā)現整體結構形式特點易產生共振現象，改進裝配方式為采用模組與頂蓋間增加泡棉墊方式進行裝配。分析得知模組及附近固定件3階模態(tài)為23 Hz，與振動試驗結果基本吻合。

根據電池包模態(tài)分析，電池包箱體結構應進行優(yōu)化，以滿足試驗要求。

2.1 方案一

對底部增加加強筋，如圖5所示。

圖5 電池包底部加筋前后有限元模型

圖6 電池包模態(tài)圖

對方案一使用OptiStruct軟件對其模態(tài)進行分析，其結果如圖6所示。計算所得前10階模態(tài)振動頻率如表2所示。

表2 電池包各階模態(tài)固有頻率

改進后對頂蓋進行模態(tài)分析，發(fā)現共振頻率依舊較為密集。模組及其周邊固定件振動頻率由原結構的23 Hz轉變?yōu)?4 Hz，該方案不滿足要求。

2.2 方案二

方案二考慮在底部加筋的基礎上，將底部筋整體厚度由1.5 mm調整為3 mm。

對方案二使用OptiStruct軟件對其模態(tài)進行分析，其結果如圖7所示。計算所得各階模態(tài)振動頻率如表3所示。

表3 電池包各階模態(tài)固有頻率

模組及其周邊固定件由原結構的23 Hz轉變?yōu)?階27 Hz及8階43 Hz，該方案不滿足要求。通過調整底部加強筋增加電池包箱體的剛度，能提高模組處振動頻率，但效果有限，不能滿足國家標準要求。

2.3 方案三

方案三考慮將左右對稱模組連接。根據上述分析結果，初步確定通過箱體底部加筋或增加筋板厚度，最終實現箱體底部剛度的增加能夠提高模組及其固定支架的振動頻率?，F各大電池廠商陸續(xù)推出長模組結構形式，借鑒該結構形式應用至該款電池包，將模組固定螺栓頂端通過剛性連接，重新進行模態(tài)分析。有限元模型如圖8所示。

圖7 電池包模態(tài)圖

圖8 對稱模組間剛性連接有限元模型

對方案三使用OptiStruct軟件對其模態(tài)進行分析，其結果如圖9所示。計算所得前10階模態(tài)振動頻率如表4所示。

表4 電池包各階模態(tài)固有頻率

圖9 電池包模態(tài)圖

對方案三改進后頂蓋進行模態(tài)分析，共振頻率依舊較為密集。模組及其周邊固定件模態(tài)轉變?yōu)?階的52 Hz及10階的65 Hz，實際投產時頂蓋采用底部加泡棉的形式，避免頂蓋的振動，結果說明左右對稱模組間增加剛性連接能有效提高模組及固定支架的振動頻率，分析結果滿足國標振動試驗要求。

2.4 試驗驗證

根據方案三在模組間增加剛性連接板，將對稱模組通過螺栓緊固在一起，重新進行振動試驗。試驗過程中未出現模組及固定支架共振現象，即驗證該方案實際可行，滿足國標振動試驗要求。各大電池廠家模態(tài)設計目標均為30 Hz，可見該方案通過行業(yè)橫向對比亦可滿足使用要求。

3 結語

本文采用有限元方法及現場測試相結合的方法對電池包的模態(tài)分析進行研究，通過將有限元分析結果與試驗測試結果相比較，可以得出以下結論：

a.通過將模組連接起來能有效提高模組及固定支架的振動頻率，并滿足國標及實際使用需求；

b.通過將試驗結果與有限元計算結果比較可知，在對電池包進行模態(tài)分析時，簡化建立的有限元模型是正確的，兩者的誤差能夠滿足工程需求；

c.通過試驗驗證了有限元分析模型的合理性，為后續(xù)電池包等結構的進一步優(yōu)化提供了數據支持。