陳玉祥，熊飛，朱林培，劉雄

動(dòng)力電池包載荷譜虛擬迭代分析

陳玉祥，熊飛，朱林培，劉雄

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

采用ADAMS建立車身-電池包剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型以及電池包系統(tǒng)的六通道虛擬試驗(yàn)臺(tái)?；陔姵匕鼘?shí)測(cè)載荷譜，通過虛擬迭代分析，各通道的相對(duì)損傷值接近1，驗(yàn)證了迭代計(jì)算的收斂性。研究方法對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)疲勞分析和振動(dòng)響應(yīng)特性研究具有重要的參考價(jià)值。

電池包；載荷譜；虛擬迭代

前言

電池包系統(tǒng)是電動(dòng)汽車核心系統(tǒng)之一，電池包良好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能是電動(dòng)汽車具備安全性和可靠性的基礎(chǔ)。由于電池包的電化學(xué)特性具有危險(xiǎn)性，同時(shí)載荷條件非常復(fù)雜，對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)可靠性提出了更高的要求。電池包安全性問題也制約了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電池包常規(guī)分析，比如頻譜分析、振動(dòng)分析，往往與實(shí)際工況存在一定的出入，并不能真實(shí)反映電池包的真實(shí)受力和振動(dòng)情況。而電池包的測(cè)試周期長(zhǎng)，成本高。因此，開展電池包虛擬試驗(yàn)技術(shù)，進(jìn)行載荷迭代分析是非常重要的。

本文以某電動(dòng)汽車電池包為研究對(duì)象，通過結(jié)合實(shí)測(cè)道路譜的虛擬迭代技術(shù)對(duì)電池包的載荷譜進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為開展電池包的結(jié)構(gòu)疲勞分析和振動(dòng)響應(yīng)分析提供載荷輸入。

首先，利用實(shí)際采集的電動(dòng)汽車路譜，通過二十四通道加速度振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，獲得實(shí)車在綜合循環(huán)路況下使用的動(dòng)力電池包的道路譜。其次，對(duì)電池包數(shù)模進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，建立包含殼體和模組的電池包有限元模型，通過模態(tài)分析，得到電池包柔性體模型。采用車身等效質(zhì)量塊和柔性電池包連接，建立車身-電池包剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。然后，在ADAMS軟件中建立電池包六通道試驗(yàn)臺(tái)，與車身-電池包剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型組建迭代計(jì)算的虛擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，通過迭代軟件進(jìn)行虛擬迭代計(jì)算，并通過信號(hào)比較驗(yàn)證迭代計(jì)算的收斂性[1]。

1 電池包道路載荷譜臺(tái)架測(cè)試

電動(dòng)汽車包含眾多的系統(tǒng)及部件，對(duì)每個(gè)部件都進(jìn)行實(shí)際道路載荷譜的采集是不現(xiàn)實(shí)的，為了真實(shí)地了解汽車及其零部件在使用環(huán)境下的狀態(tài)，一般將實(shí)車采集的道路載荷譜加載在室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，通過臺(tái)架試驗(yàn)獲得其它部位的載荷響應(yīng)。電池包的安裝空間緊湊，在不能布置傳感器的位置，試驗(yàn)方法也不可行，而通過關(guān)鍵部位的實(shí)測(cè)載荷譜，利用虛擬迭代技術(shù)，便可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其它位置的載荷譜[2]。

將襄樊試驗(yàn)場(chǎng)獲得的道路載荷譜用于二十四通道臺(tái)架，模擬綜合耐久試驗(yàn)，測(cè)量動(dòng)力電池關(guān)鍵部位加速度信號(hào)，為虛擬迭代計(jì)算電池包載荷譜提供收斂性判斷依據(jù)。測(cè)試的車輛信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)車輛信息

試驗(yàn)車輛經(jīng)過充分磨合，胎壓正常，試驗(yàn)前動(dòng)力電池電量達(dá)到80%以上。裝載質(zhì)量參照GB/T12534 第3章第1條規(guī)定，對(duì)懸架、剎車等進(jìn)行檢查，確保試驗(yàn)車輛狀況良好、符合汽車道路試驗(yàn)規(guī)程。試驗(yàn)過程如圖1所示。電池包和車身左右各有7個(gè)螺栓連接點(diǎn)，在左側(cè)7個(gè)螺栓連接點(diǎn)布置加速度傳感器，如圖2所示。以測(cè)點(diǎn)左1為例，測(cè)試獲得的電池包載荷譜如圖3所示。

圖2 電池加速度傳感器布置位置

圖3 電池包測(cè)點(diǎn)1在Z方向加速度

2 虛擬迭代模型建立

2.1 車身-電池包剛?cè)狁詈辖?/h3>

電池包柔性體模型通過有限元軟件計(jì)算得到，電池包柔性體需要與車身連接，在電池包網(wǎng)格處理時(shí)預(yù)留相應(yīng)的連接點(diǎn)。有限元模型建立采用精確的幾何模型，本文采用HyperMesh軟件進(jìn)行有限元前處理，幾何模型導(dǎo)入分析軟件后，對(duì)薄壁零件進(jìn)行殼單元網(wǎng)格處理，先抽取板殼構(gòu)件的中面，并對(duì)中面進(jìn)行仔細(xì)檢查，處理好容差間隙等，防止抽取的中面出現(xiàn)斷裂問題，保證網(wǎng)格的質(zhì)量。為了使電池的結(jié)構(gòu)與實(shí)際保持一致，對(duì)每個(gè)模組都進(jìn)行詳細(xì)網(wǎng)格劃分，并確定好模組的連接方式。在HyperMesh有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)不同部件進(jìn)行特殊處理，電池包殼體采用殼單元網(wǎng)格，模組的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，采用六面體網(wǎng)格。通過ABAQUS軟件生成mnf柔性體文件后，導(dǎo)入ADAMS軟件中生成電池包柔性體。電池包模態(tài)中性文件如圖4所示，藍(lán)色顯示主要為電池包的殼體，紅色顯示為某一模組。

圖4 電池包模態(tài)中性文件

車身用等效質(zhì)量體替代，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)車保持一致。將電池包與車身螺栓連接點(diǎn)位置建立Interface Part，把車身和電池包連接起來(lái)。車身-電池包剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D5所示。模型的組成，部件的空間分布，連接關(guān)系，位置等等，都需要盡可能的客觀和準(zhǔn)確。

圖5 車身電池包剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2.2 六通道試驗(yàn)臺(tái)建模

六通道虛擬試驗(yàn)臺(tái)的力施加給車身，通過車身和電池包的連接，將載荷從車身傳遞到電池包，車身應(yīng)考慮自身質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本文建立的六通道虛擬試驗(yàn)臺(tái)如圖6所示，其中垂向臺(tái)柱有3個(gè)，縱向臺(tái)柱1個(gè)，側(cè)向臺(tái)柱2個(gè)，能模擬六自由度運(yùn)動(dòng)。

六通道試驗(yàn)臺(tái)是振動(dòng)激勵(lì)的源頭，其自身的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系非常重要，常常由于過約束問題導(dǎo)致系統(tǒng)迭代計(jì)算失敗。首先應(yīng)正確定義試驗(yàn)臺(tái)各部件之間的運(yùn)動(dòng)副，然后定義試驗(yàn)臺(tái)與電池包系統(tǒng)之間的連接通訊器，通訊器是模型數(shù)據(jù)傳遞的關(guān)鍵。

圖6 六通道虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.3 虛擬迭代模型建立

電池包與車身之間通過螺栓連接，從圖2可知，電池包左右連接螺栓共有14個(gè)。為了全面地反映受測(cè)部件的真實(shí)振動(dòng)情況，提高測(cè)量的信噪比，選擇電池包左測(cè)1、6、7螺栓安裝點(diǎn)、右側(cè)1、4、5螺栓安裝點(diǎn)為虛擬臺(tái)架的連接點(diǎn)。為了防止仿真仿真過程中可能出現(xiàn)的漂移和翻轉(zhuǎn)等問題，采用位移和力混合驅(qū)動(dòng)的方法作為輸入的激勵(lì)信號(hào)。其中左1、7螺栓連接點(diǎn)和右1螺栓連接點(diǎn)為垂直Z方向位移加載位置，左6螺栓連接點(diǎn)為前后X方向力加載位置，右4、5螺栓連接點(diǎn)為左右Y方向力加載位置。六通道虛擬試驗(yàn)臺(tái)激勵(lì)點(diǎn)信息如表2所示。

表2 六通道虛擬試驗(yàn)臺(tái)激勵(lì)點(diǎn)信息

通過前面分析，在ADAMS/Car環(huán)境下，分別建立了車身-電池包剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型和六通道試驗(yàn)臺(tái)架，并確定好了連接點(diǎn)位置及激勵(lì)加載方式。然后通過子系統(tǒng)建立裝配組合，建立電池包載荷譜虛擬迭代模型?；谔摂M試驗(yàn)臺(tái)的電池包系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型如圖7所示。驗(yàn)證車身電池包系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型各部件及總質(zhì)心位置、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等與實(shí)際模型保持一致后，輸出.adm模型文件，并進(jìn)行必要定義，為虛擬迭代軟件的調(diào)用做好準(zhǔn)備。

3 虛擬迭代計(jì)算

3.1 計(jì)算過程及結(jié)果

基于電動(dòng)汽車車身-電池包六通道虛擬迭代模型，結(jié)合獲取的電動(dòng)汽車電池包道路譜，通過虛擬迭代求解得到電池包的載荷譜。虛擬迭代是不斷調(diào)用多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算的過程，通過ADAMS和迭代軟件聯(lián)合求解，在迭代軟件中設(shè)置正確的求解環(huán)境，并關(guān)聯(lián)正確的讀寫路徑，迭代軟件就可以調(diào)用ADAMS軟件的模型進(jìn)行迭代計(jì)算。

在ADAMS生成.adm模型文件前，需在ADAMS界面中通過Spline為模型定義輸入、通過Request定義輸出。定義的輸入就是表2所述的激勵(lì)信號(hào)，5個(gè)響應(yīng)通道設(shè)置如表3所示，設(shè)置采樣頻率256Hz，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采樣頻率一致。響應(yīng)點(diǎn)位置與室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試點(diǎn)位置一致，以便進(jìn)行響應(yīng)信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的對(duì)比[3]。

表3 響應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置及信息

為了得到系統(tǒng)的響應(yīng)傳遞函數(shù)，先通過Pink noise噪聲進(jìn)行輸入，得到系統(tǒng)的響應(yīng)，通過噪聲及多體模型的響應(yīng)之間的關(guān)系便可以計(jì)算得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。噪音信號(hào)通過在頻域定義的振幅特性來(lái)生成，Number of blocks數(shù)量依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，采取系統(tǒng)默認(rèn)Proposal值[5]。在虛擬迭代軟件中設(shè)置輸入信號(hào)及通道信息如圖8所示，輸出信號(hào)及通道信息如圖9所示。

圖9 輸出通道設(shè)置

3.2 迭代結(jié)果分析

定義好迭代所需要的各參數(shù)后即可進(jìn)行虛擬迭代計(jì)算，計(jì)算過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)響應(yīng)信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的相對(duì)損傷值，確認(rèn)迭代的收斂性，如果各通道信號(hào)的相對(duì)損傷值偏離1，需要重新檢查輸入輸出信號(hào)[5]。本文車身-電池包多體動(dòng)力學(xué)模型在進(jìn)行6次迭代后，相對(duì)損傷值最小值為0.83，最大值為1.46，各通道迭代趨于收斂，相對(duì)損失值隨迭代次數(shù)變化如圖10所示。

圖10 相對(duì)損傷隨迭代次數(shù)的變化

圖11是左1螺栓位置的響應(yīng)加速度信號(hào)和目標(biāo)加速度信號(hào)在時(shí)域的對(duì)比，圖12是信號(hào)局部放大結(jié)果的對(duì)比。圖13是左1螺栓位置響應(yīng)加速度信號(hào)和目標(biāo)加速度信號(hào)在頻域的對(duì)比。

圖11 左1加速度信號(hào)時(shí)域?qū)Ρ?/p>

圖12 左1加速度信號(hào)時(shí)域局部對(duì)比

通過圖11和圖12加速度的響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ?，信?hào)的峰值和相位保持一致。圖13在頻域上的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，測(cè)試加速度功率譜密度最大值比響應(yīng)加速度功率譜密度最大值略大，但一致性較好，變化趨勢(shì)基本吻合，虛擬迭代結(jié)果滿足分析精度的要求。響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)存在一定的誤差，主要由模型的簡(jiǎn)化、信號(hào)的處理等因素造成的。

圖13 左1加速度信號(hào)頻域?qū)Ρ?/p>

4 結(jié)論

（1）搭建了基于車身-電池包剛?cè)狁詈夏Ｐ偷奶摂M試驗(yàn)臺(tái)架，通過虛擬迭代計(jì)算，相對(duì)損傷值最小值為0.83，最大值為1.46，迭代計(jì)算滿足收斂性要求。

（2）各通道信號(hào)在時(shí)域和頻域都有較好的一致性，虛擬迭代的精度滿足工程分析的要求。

（3）本文研究方法為電池包進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞等分析提供了重要的載荷譜輸入，縮短了研發(fā)周期。

[1] 沈宏杰,周鋐.汽車零部件道路模擬加載譜研究[J].汽車工程,2010, 32( 2):159-162.

[2] 邵建,董益亮,肖攀,等.基于多體模型仿真的載荷譜虛擬迭代技術(shù)分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 24(12):84-87.

[3] 任永強(qiáng),張軍,劉凱.基于虛擬迭代技術(shù)的汽車?yán)戎Ъ芷诜治鯷J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(2):130-136.

[4] 務(wù)運(yùn)興,周云平,王俊翔,等. 汽車前端框架振動(dòng)疲勞載荷虛擬迭代分析.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2017:1588-1592.

[5] Helmut D, Matthias M, Otmar G, et al.Integrating virtual test meth -ods and physical testing to assure accuracy and to reduce effort and time. SAE paper, 2006-01-3563.

Virtual iterative analysisof load spectrum for traction battery pack

Chen Yuxiang, Xiong Fei, Zhu Linpei, Liu Xiong

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

The rigid-flexible coupled multi-body dynamic model of the body-battery pack system used for virtual test bench was established by using ADAMS.Based on the measured load spectrum of the battery pack, the relative damage value of each channel was close to 1 through virtual iterative analysis, which verified the convergence of iterative calculation.The research method has important reference value for the structural fatigue analysis and vibration response research of battery pack.

Battery pack;Load spectrum;Virtual iterative

U469.72

A

1671-7988(2019)14-03-04

U469.72

A

1671-7988(2019)14-03-04

陳玉祥，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，從事新能源汽車熱管理分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.001