CAE技術(shù)在電動汽車動力電池振動疲勞性能上的應(yīng)用

現(xiàn)代社會生活對資源的依賴越來越強(qiáng)，幾乎任何活動都離不開資源。隨著越來越嚴(yán)重的能源消耗，環(huán)境污染等一系列問題，全球各國積極開發(fā)應(yīng)用新能源，電動汽車的需求及銷售量也越來越大。而隨著電動汽車的存量增加，電動汽車安全事故明顯增多，安全性能的考慮已成為電動汽車設(shè)計的核心問題。

動力電池是電動汽車安全相關(guān)重要部件，動力電池安全性能是電動汽車安全性能的重中之重。 為保證動力電池安全，國內(nèi)外制定了一系列動力電池相關(guān)技術(shù)法規(guī)； 相關(guān)技術(shù)法規(guī)(例如 ISO12405-3， IEC 62660， ECE R100.2， SAE J2929， UL 2580， GB/T 31467.3等)， 對動力電池振動性能及其試驗測試都做出相關(guān)規(guī)定。應(yīng)用CAE仿真技術(shù)可以在動力電池樣件制造出之前對其振動能否達(dá)到要求進(jìn)行預(yù)估計算，并幫助提高動力電池振動疲勞性能。

電池包振動疲勞分析 

輸入?yún)?shù) 

某電動汽車電池箱體采用鈑金件設(shè)計，電芯采用18650電池并設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)模塊。 經(jīng)網(wǎng)格處理，賦予材料及厚度等屬性后， 計算電池總重 360.1kg，與原電池估算重量（360kg）相比誤差僅 0.1kg。

（動力電池建模處理）

模態(tài)與頻響

約束動力電池與車身連接位置自由度，計算 200Hz 以下約束模態(tài)。電池包 200Hz 以上共有 68 階模態(tài)，其中前 8 階皆為上蓋模態(tài)（表 1） ，電池上蓋剛度差，模態(tài)頻率低，是振動疲勞風(fēng)險區(qū)域，需在后續(xù)分析中關(guān)注。 根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對電池進(jìn)行頻響分析， 由上蓋中心點頻響結(jié)果， Z 向響應(yīng)遠(yuǎn)大于 X 向/Y 向響應(yīng)，動力電池振動疲勞風(fēng)險為 Z 向振動時上蓋位置。

（電池上蓋中心點頻響 ）

振動疲勞分析

根據(jù)動力電池模態(tài)、頻響分解結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)振動載荷，使用頻域法振動疲勞計算， X 向振動分析在截止壽命（1e+30）之外，無振動疲勞風(fēng)險； Y 向振動分析最小壽命2.157e+13，無振動疲勞風(fēng)險； Z 向振動分析最小壽命 2.748e+4，有一定風(fēng)險，風(fēng)險位置為電池上蓋。針對電池上蓋的振動疲勞風(fēng)險，需進(jìn)行優(yōu)化將 CAE 計算振動疲勞壽命提高到 2e+5 以上。

（動力電池振動疲勞 ）

優(yōu)化分析

針對動力電池存在的振動疲勞風(fēng)險，擬采用形貌優(yōu)化方法優(yōu)化電池上蓋，以消除該部件振動疲勞現(xiàn)象。 將電池包上蓋頂面作為設(shè)計加筋區(qū)域， 設(shè)置加筋高度等參數(shù)和對稱布置后，定義優(yōu)化目標(biāo)為上蓋第一階模態(tài)最大化。電池上蓋加筋優(yōu)化分析結(jié)果如圖所示，優(yōu)化后第一階模態(tài)頻率增加到 39.55Hz，提高 53.9%；優(yōu)化后電池鈑金件上蓋一階頻率滿足經(jīng)驗要求。

（電池上蓋形貌優(yōu)化結(jié)果 ）

優(yōu)化設(shè)計及驗證

根據(jù)動力電池上蓋形貌優(yōu)化結(jié)果，考慮到制造工藝問題，電池上蓋加 17 條長200mm寬45mm 深 3mm 長度方向筋，電池上蓋內(nèi)部中間位置加 2 條寬度方向筋作為模態(tài)加強(qiáng)方案。優(yōu)化后動力電池第一階模態(tài)頻率提高為 40.07Hz，相比電池原始設(shè)計提高 72.3%；優(yōu)化后電池 0-200Hz 頻率范圍內(nèi)共 50 階模態(tài)，相比原始狀態(tài) 68 階模態(tài)頻率分布密度降低 36%；這些改進(jìn)都對動力電池振動疲勞性能提升帶來有利影響。

（加筋優(yōu)化及模態(tài)驗證 ）

振動疲勞驗證
    對優(yōu)化后動力電池進(jìn)行頻響計算，其中心位置單元頻響曲線與優(yōu)化前對比最高降低48dB（23Hz 位置），在 5-70Hz 之間頻響幅值均有所降低；由于 5-50Hz 是實際路面行駛時電池主要承受頻率帶寬，同時也是國家標(biāo)準(zhǔn)振動疲勞載荷振動幅值較大區(qū)域，該區(qū)域頻響的降低將對動力電池振動疲勞帶來有益影響。

    根據(jù)優(yōu)化后動力電池頻響計算結(jié)果，對該電池振動疲勞進(jìn)行驗證計算，最小振動疲勞壽命提高為 3.196e+5，相比原始設(shè)計提高 11.6 倍，達(dá)到預(yù)期 2e+5 的壽命目標(biāo)。通過形貌優(yōu)化方法提高電池模態(tài)頻率，并提高動力電池整體振動疲勞壽命的方法是有效的。

（頻響及振動疲勞驗證 ）

結(jié)論

針對分析中發(fā)現(xiàn) Z 向振動上蓋性能不滿足要求的情況，采用形貌優(yōu)化方法，在電池上蓋加筋，一階模態(tài)頻率提高 53.9%；經(jīng)過上蓋加 17 對稱長筋和 2 橫筋方法，電池第一階模態(tài)提高72.3%，達(dá)到 40Hz 以上。優(yōu)化前后頻響結(jié)果最高提高 48dB，并在振動疲勞載荷較大區(qū)間（5-50Hz）得到有效降低。優(yōu)化后電池振動疲勞壽命提高 11.6 倍，達(dá)到預(yù)計設(shè)定 2e+5 目標(biāo)，驗證了形貌優(yōu)化提高電池振動疲勞性能的有效性。

通過對動力電池振動疲勞性能的分析優(yōu)化，我們可以看出合理運(yùn)用CAE仿真技術(shù)，能有效幫助企業(yè)解決產(chǎn)品安全性和可靠性的問題，提升產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)。有限元科技依托十余年CAE仿真技術(shù)背景和工程經(jīng)驗，始終堅持以客戶為中心，為客戶提供有效服務(wù)，持續(xù)為客戶創(chuàng)造價值進(jìn)而成就客戶。選擇有限元科技，為行業(yè)發(fā)展創(chuàng)造無限可能。