一种车载动力电池箱的结构强度与振动分析.pdf

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1、·138·内燃机与配件一种车载动力电池箱的结构强度与振动分析李小尹；陈凯；董成坤；李敬磊(郑州宇通客车股份有限公司，郑州450061)摘要：以Hypennesh和ADINA作为仿真工具，对一种车载动力电池箱进行研究，经模态分析得出前6阶模态下的固有频率和振型，经振动分析得出电池箱体位移幅值、加速度幅值及应力峰值分布。在此基础上对电池箱结构进行优化，经实际验证优化结构满足工况使用要求。关键词：动力电池；结构强度：随机振动分析；有限元0引言动力电池是新能源客车的核心组成部分，其安全性能直接影响着整车的安全和寿命。结构安全和电气安全构成了动力电池安全的两个维度，而结构强

2、度是结构安全的首道保障。为保证动力电池工作的可靠性和安全性，对其结构强度进行振动分析具有非常重要的意义。由于动力电池的结构比较复杂，加之车辆行驶工况的多样化，利用传统方法对车载动力电池进行应力、应变计算比较困难，而借助有限单元方法可以得到较为准确的结果。本文针对一种应用于混合动力新能源客车的车载动力电池箱，对其结构强度进行随机振动仿真分析，研究该电池箱能否满足工况载荷下的运行要求，进而根据仿真结果对该电池箱的结构进行优化。1电池箱有限元分析模型的建立使用UG建立该车载动力电池箱三维结构如图1所示，其长×宽×高尺寸为：843mmx628mmx758mm，由箱体支架、

3、箱体封板、电池箱底座、散热风机、高低压连接器、MSD以及箱体内部的锰酸锂电池模组、电池管理保护电子器件等部分构成。前处理采用Hypermesh进行网格划分，计算软件采用ADINA。电池箱体结构主要采用壳单元，箱体封板与箱体支架采用螺栓连接，电池箱底座与箱体支架之间采用焊缝连接：其中螺栓采用Rbe2进行模拟，焊点采用Rbe2和Reb3两种连接方式进行模拟，焊缝采用Penta单元进行模拟。在满足计算精度的前提下，对该车载动力电池箱作如下简化：箱内的锰酸锂电池模组通过自定义密度的形式作等效配重处理，电池模组与其支架构件的螺栓紧固采用刚性连接模拟，散热风机、MSD等部件采

4、用集中质量点模拟，电池箱整体划分为239738个单元，所建立的网格模型如图2所示。为动力电池箱的箱体和电池模组单元赋予材料属性，如表1，完成前处理设置。2电池箱模态分析将划好网格的电池箱模型导入ADINA软件进行模态分析，首先计算电池箱的固有频率和振型。所得的前6作者简介：李小尹(1987一)，男，河南新郑人，结构工程师，从事新能源客车车载能源的成组设计工作。蒿氍葙体封≤／’≮≤姜、～～嘞电滟辅固定彳L图1车载动力电池箱结构外形视图2电池箱总体全网格模型表1材料特性参数表屈服强度抗拉强度E(GPa)NuRho(g／cm43)MPa钢(Q235)2000．37．85

5、235375电池10．351．517＼阶固有频率如表2所示，各阶对应的振型如图3所示，其中第5、6阶由于频率较高，箱体内部和外部的振型分开考察。表2电池箱前6阶模态固有频率阶数l234566频率／Hz44．231458．341068．846672．389886．441188．7536InternalCombustionEngine&Parts·139·墨◆摹毒i蠹京多图3电池箱前6阶振型3随机振动分析3．1PSD载荷设定在ADINA环境中，依据模态分析所得参与因子进行电池箱的随机振动分析。载荷设定如下：在电池箱底座的固定孔处分别施加x(行车方向)、Y、Z三个方向的

6、激励，以0．59的加速度对x、Y、z三个方向进行扫频，频率范围为5～200Hz，频谱关系依据GB／T31467．3《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统：第3部分安全性要求与测试方法》进行转化，如图4所示。oJa6n05矗04蔷a∞罂O．Q20+01矗0D：～t．5-。i；、上～o一}～，i}⋯摩；囊爵+}一{；{{；jl耋鳖}{一—o⋯{～～o～!。li．Fr丁一q．}一l、。{1。；i{l＼；’l⋯+j⋯2群，。扣。、、Nj”一·⋯，{r‘_‘7r丁F{}＼苫＼、：：蒋～}H二{卜．、{；髓}u-p≮，{E。。

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8、。}}一一广’r一图4电池箱振动工况PSD曲线3．2求解器计算结果基于前述的边界条件设定，通过ADINA求解器对模型进行计算。对该电池箱而言，主要关心箱体的位移幅值、加速度幅值和底座的应力峰值，进而由计算结果推断可能发生疲劳破坏的危险位置。计算所得各工况下箱体的位移幅值、加速度幅值如表3所示。由表3可知箱体在X向的激励下会产生最大的位移幅值，值为4．36mm，发生位置在4、5阶模态特征值最大处，即箱体前封板中部；箱体最大加速度幅值也发生在x方向激励下，值为907．37m／s2，同样发生在4、5阶模态特征值最大处。表3振动工况各阶位移幅值和加速度幅值PSD荷载位移幅

9、值(RMS