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關(guān)于某電池包的模態(tài)分析優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

2021-03-03 11:22:04·  來源：Battery Insight view  作者：battery 風(fēng)清揚(yáng)  
　
1前言 電池包作為純電動(dòng)車輛的能量來源,是純電動(dòng)車輛的核心部件,其結(jié)構(gòu)的可靠性及安全性非常重要?參考電池車輛安裝位置和GB/T2423.43-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分試驗(yàn)方法振動(dòng)?沖擊和類似動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)樣品的安裝的要求》1“,將電池包安裝在試驗(yàn)臺(tái)上時(shí),電
1前言
 
電池包作為純電動(dòng)車輛的能量來源,是純電動(dòng)車輛的核心部件,其結(jié)構(gòu)的可靠性及安全性非常重要?參考電池車輛安裝位置和GB/T2423.43-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分試驗(yàn)方法振動(dòng)?沖擊和類似動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)樣品的安裝的要求》1“,將電池包安裝在試驗(yàn)臺(tái)上時(shí),電池應(yīng)進(jìn)行15min正弦波振動(dòng),振動(dòng)頻率從7Hz增加至50Hz再回至7Hz?現(xiàn)對(duì)某電池包進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在20~24Hz時(shí),模組及模組固定支架附近發(fā)生共振現(xiàn)象,為解決該問題,現(xiàn)對(duì)該電池包進(jìn)行模態(tài)分析,同時(shí)為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)?
 
2電池包有限元模型的建立及模態(tài)分析
 
首先根據(jù)電池包的結(jié)構(gòu)及尺寸,采用軟件ProE建立電池包的三維實(shí)體模型氣將三維實(shí)體模型保存為通用Stp格式,導(dǎo)入HyperMesh分析軟件,箱體及支架的材料為Q235,密度為7.85x103kg/m3,泊松比為0.3,彈性模量2.10x105模組為復(fù)合材料,密度為l.70x103kg/m3,泊松比0.4,彈性模量為5.50x103?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363761個(gè)單元,391081個(gè)節(jié)點(diǎn)?
約束固定電池包安裝支架,限制6個(gè)自由度,模擬實(shí)際裝車及試驗(yàn)條件?有限元模型如圖1所示,隱藏頂蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示?
 
設(shè)置模態(tài)分析參數(shù),求解前5階模態(tài),如圖3所示?
使用OptiStruct軟件對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖4所示?計(jì)算所得前5階模態(tài)振動(dòng)頻率如表1所示?
 
對(duì)頂蓋進(jìn)行模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)易產(chǎn)生共振現(xiàn)象,改進(jìn)裝配方式為采用模組與頂蓋間增加泡棉墊方式進(jìn)行裝配?分析得知模組及附近固定件3階模態(tài)為23Hz,與振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合?
根據(jù)電池包模態(tài)分析,電池包箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化,以滿足試驗(yàn)要求?
2.1方案一
對(duì)底部增加加強(qiáng)筋,如圖5所示?
 
對(duì)方案一使用OptiStruct軟件對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖6所示?計(jì)算所得前10階模態(tài)振動(dòng)頻率如表2所示?
 
改進(jìn)后對(duì)頂蓋進(jìn)行模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)共振頻率依舊較為密集?模組及其周邊固定件振動(dòng)頻率由原結(jié)構(gòu)的23Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?4Hz,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(chǔ)上,將底部筋整體厚度由1.5mm調(diào)整為3mm?
對(duì)方案二使用OptiStruct軟件對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖7所示?計(jì)算所得各階模態(tài)振動(dòng)頻率如表3所示?
模組及其周邊固定件由原結(jié)構(gòu)的23Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?階27Hz及8階43Hz,該方案不滿足要求?通過調(diào)整底部加強(qiáng)筋增加電池包箱體的剛度,能提高模組處振動(dòng)頻率,但效果有限,不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求?

2.3方案三
方案三考慮將左右對(duì)稱模組連接?根據(jù)上述分析結(jié)果,初步確定通過箱體底部加筋或增加筋板厚度,最終實(shí)現(xiàn)箱體底部剛度的增加能夠提高模組及其固定支架的振動(dòng)頻率?現(xiàn)各大電池廠商陸續(xù)推出長模組結(jié)構(gòu)形式借鑒該結(jié)構(gòu)形式應(yīng)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(jìn)行模態(tài)分析?有限元模型如圖8所示?
 
對(duì)方案3使用OptiStruct軟件對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖9所示?計(jì)算所得前10階段模態(tài)振動(dòng)頻率如表4所示?
對(duì)方案三改進(jìn)后頂蓋進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)?階的52Hz及10階的65Hz,實(shí)際投產(chǎn)時(shí)頂蓋采用底部加泡棉的形式,避免頂蓋的振動(dòng),結(jié)果說明左右對(duì)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(dòng)頻率,分析結(jié)果滿足國標(biāo)振動(dòng)試驗(yàn)要求?
2.4試驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)方案三在模組間增加剛性連接板,將對(duì)稱模組通過螺栓緊固在一起,重新進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)?試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)模組及固定支架共振現(xiàn)象,即驗(yàn)證該方案實(shí)際可行,滿足國標(biāo)振動(dòng)試驗(yàn)要求?各大電池廠家模態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)均為30Hz,可見該方案通過行業(yè)橫向?qū)Ρ纫嗫蓾M足使用要求?
 
3結(jié)語
 
本文采用有限元方法及現(xiàn)場測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)電池包的模態(tài)分析進(jìn)行研究,通過將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比較,可以得出以下結(jié)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(dòng)頻率,并滿足國標(biāo)及實(shí)際使用需求;
b通過將試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較可知,在對(duì)電池包進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),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(yàn)驗(yàn)證了有限元分析模型的合理性,為后續(xù)電池包等結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持?
 
文章來源：河南森源重工有限公司
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