电池包是一个包含机-电-热多部件的复杂综合体,开展机械性能分析较为困难,同时给后续对标带来了较大挑战,因此合理建模方式显得尤为重要。文章采用均质化的模型等效方法及精细的前处理,结合压缩试验方法获得的各向同性材料性能数据,对电池系统及其零部件分别开展模态仿真,结合扫频测试数据,验证了模型的有效性和精度;通过试验与仿真的对标验证了电芯与支撑泡棉的材料数据,对比有无泡棉和有无箱盖的扫频试验数据,获得了箱盖和支撑泡棉对系统刚度的影响规律,并解释了几种状态扫频曲线差异性的影响因素及原因。
动力电池包;模态分析;扫频测试;阻尼系数
随着环境污染和能源短缺问题日益严峻,新能源汽车的研发成为汽车行业的发展重心[1]。动力电池作为其关键技术之一,将直接影响车辆的续航里程与行驶安全,而承载电池模组的电池包是电动汽车的关键安全部件[2],因此,针对电池系统可靠性研究是新能源汽车主动安全的核心问题。陈雨等[3]通过对包内电池单元动力学精确建模,使电池包系统模态仿真结果相对误差控制在5%以内。同时,结合电池包系统模态也可以来验证电池包内部各零部件的刚强度[4]。新能源行业的快速发展,意味着试验设备测试资源的需求也在大量增加,在设计开发阶段运用计算机辅助工程(Com- puter Aided Engineering, CAE)技术开展虚拟验证工作,尤其是在提升设计质量和水平,减少测试成本,缩短开发周期等方面表现出巨大优势。
电池系统作为一个包含机-电-热多部件的复杂系统,它的整体刚度影响着电池系统的安全与可靠性[5],甚至影响整车的噪声、振动、声振粗糙度(Noise, Vibration, Harshness, NVH)性能,长期的项目经验表明,电池系统的各个零部件对系统刚度都会产生不同程度的影响,如箱盖、底护板、支撑泡棉等零件对系统刚度的影响研究,尚未在公开文献中发表。尤其是箱盖不仅需要满足密封的要求,还要具有一定的刚度,满足扭转弯曲刚度及掌压刚度的要求,避免在整车行驶过程中产生振动噪声与异响。
1 建模思路与方法
任何复杂动力学模型都可以通过简化的方式等效,电池包中电芯不仅是一种各种材料组成的复合结构,而且还是一种高度非线性结构,本文采用均质化方法模拟电芯。电池系统在装配时使用大量螺栓,螺栓定扭后螺柱会产生预紧力,而预紧力使得组合结构在装配完成时存在预应力场,预应力场会影响整个装配体的固有频率,有研究表明由预紧力导致的频率变化在误差允许的范围内[6-7],本文不考虑预紧力对结构动刚度的影响,各紧固件通过刚性单元连接等效。
各个组件之间需要定义接触关系,存在边界非线性。研究表明,当接触状态趋于稳定,则结构刚度矩阵不再变化,可以近似为线性结构而采用线性计算。自由度无阻尼或比例阻尼的线性系统的固有振动方程为[8]
设主振动为
=sin(+) (2)
式中,为常数列矢量。
=(12,...,ϕ)T(3)
将式(3)代入式(2),得到下列代数齐次方程组:
(-2)=0 (4)
式(4)存在非零解的充要条件是行列式为零,即得到不考虑预应力场的特征方程
|-2|=0 (5)
求解关于2的次多项式,获得系统第阶固有频率ω,最终求得系统第阶固有振型φ。由式(5)可知,系统固有频率由系统刚度和质量共同决定,而刚度包括材料刚度和结构刚度,所以提升固有频率方法包括更换弹性模量更大的材料、提升零件截面模量、降低系统质量。
电池包仿真分析流程包括三维模型输入、简化模型及处理、网格划分、网格质量检查、搭建有限元模型、数值求解计算、计算收敛、后处理、结构优化等。完整的电池系统包括下壳体、上壳体、支撑泡棉、模组或电芯、固定拉杆、横纵梁、安装支架、液冷板、导热胶、各种电气件、线束、接插件、螺钉等。建模前处理时应保留核心结构部件,不宜保留非核心结构件,箱体及电气件支架的建模要求:1)应能正确反映部件的特性及运动关系;2)CAE模型重量应与实际电池包重量相等(内部零件可用质量点代替);3)CAE模型的重心坐标应与三维数模重心坐标相同;4)通常忽略三维数模的局部特征(如散热孔、工艺孔、倒角等),保留外部轮廓和安装孔。
2 数值模型的建立
为改善电池包在振动测试及实际使用情况的NVH性能,常用的手段之一就是在箱盖内表面或模组的上表面粘贴缓冲泡棉[9]并设计有一定的压缩量,保证泡棉对箱盖支撑作用,提高箱盖弯曲扭转刚度和掌压刚度。泡棉是一种超弹性材料,为研究泡棉对系统响应的影响,本文选取A和B两款电池包开展有无泡棉及有无箱盖对系统响应的试验设计,共设计三组试验。
为研究系统箱盖及其泡棉对系统响应的影响,本文选取两个典型项目开展仿真与计算对标研究,在有限元仿真软件HyperMesh中建立有限元模型,长厚比≥10的结构采用壳网格的方式离散,对长厚比<10的结构采用实体单元离散,其中的螺栓连接通过在螺栓孔周围需建立Washer,相邻两零件的Washer单元直接使用Rbe2连接;焊接连接通过在两零件之间建立一层六面体单元,六面体单元两侧的节点通过Rbe3单元和对应的零件连接到一起。
在进行电池包整包机械性能分析时,往往需要考虑箱盖,由于单独箱盖的刚度较差,箱盖中间区域与箱体需要建立支撑,而工程实践中常用的方法就是在模组上表面或箱盖内表面粘贴泡棉,箱盖螺栓孔与箱体螺栓孔之间通过Rbe2刚性单元连接。
电池系统有限元模型如图1所示,本文研究的A、B两款电池包箱盖都是钢材DC06,箱盖内表面设计有相同的缓冲泡棉,模组均使用塑料端板的铁锂电芯,模组尺寸规格相同,箱体四周设置固定点;不同之处在于箱体材质不同,A项目使用铝型材,B项目使用钢钣金,其次是箱盖刚度不一样,本文为研究箱盖刚度和泡棉对系统动态响应影响,特选择两种材料相同刚度不同的箱盖,因为相同尺寸规格的箱盖如材质相同,其箱盖自身刚度基本相同,无法体现不同刚度对系统刚度影响。
(a) A项目电池系统有限元模型
(b) B项目电池系统有限元模型
图1 电池系统有限元模型
根据泡棉不同弹性模量对结果的影响,根据对标结果最终确定泡棉的弹性模量为0.35 MPa,这与试验测试得到的泡棉压缩模量0.38 MPa是一致的,首先泡棉进行压缩试验,得到泡棉材料的应力应变曲线,然后根据应力应变曲线中线性阶段斜率值0.38得到泡棉的弹性模量,采用和泡棉同样的测试原理等效出电芯的弹性模量为75 MPa。
3 结果与讨论
3.1 A项目仿真试验对标
针对三种状态的系统分别进行了模态分析,根据输出结果文件中的质量参与系数,得到了箱盖和三种状态电池包的一阶固有频率,如图2所示,计算结果如表1所示。
由表2可知,当支架工作阻力为p时,工作面顶板下沉量Δh2=600 mm,控顶效果为“差”;当支架工作阻力为p、p1时,工作面顶板下沉量分别为Δh1=365 mm和Δh3=456 mm,控顶效果为“中”,当支架工作阻力为p2时,工作面顶板下沉量为Δh4=294 mm,控顶效果为“好”。比较控顶效果,支架工作阻力为额定工作阻力p、来压支架均值上阻力p2时,顶板下沉量分别为365、294 mm,区别不大。
(a) 箱盖模特分析阵型图
(b)系统模特分析阵型图
图2 箱盖及电池系统阵型图
表1 三种状态电池系统模态分析结果汇总 方案状态系统一阶频率/Hz箱盖一阶频率/Hz 方案一有箱盖有泡棉37.1723.57 方案二无箱盖无泡棉35.75 方案三有箱盖无泡棉38.1323.57
根据三种状态电池包,设计相应振动工装,如图3-图5所示。整个试验布置5个加速度传感器,其中5号、6号为控制传感器,控制扫频试验过程中信号输入,布置在箱体吊耳处;4号、7号、8号为监测传感器,监测扫频过程中加速度响应及识别共振点,4号布置在底板处,7号布置在箱盖中间,8号布置在箱盖边缘。本文试验扫频速率10 ct/min,扫频段设置5~200 Hz,激励加速度0.5g,往返扫频2次,三种方案扫频测试数据汇总如表2所示。
图3 方案一实测现场与实测数据
图4 方案二实测现场与实测数据
图5 方案三实测现场与实测数据
表2 三种方案扫频测试数据汇总表 方案状态系统4号一阶频率/Hz系统7号一阶频率/Hz系统8号一阶频率/Hz箱盖一阶频率/Hz 方案一有箱盖有泡棉37.5338.1237.5327.06 方案二无箱盖无泡棉37.04 方案三有箱盖无泡棉37.6437.6439.3827.13
根据A项目试验和仿真结果,可以得出以下结论:
郁达夫与梁实秋论争时,一开始翻译了辛克莱Mammonart的第44章的最后五段和第45章的几乎全部,然后在1928年3月份到1929年8月份的时候持续翻译了Mammonart的19个章节。
1)箱盖内表面支撑泡棉对系统的刚度产生影响,即有泡棉支撑区域扫频结果38.12 Hz高于无泡棉支撑区域扫频结果37.53 Hz,这是因为支撑泡棉提高了系统箱盖的局部刚度;2)箱盖内表面无支撑泡棉时,箱盖中间区域的扫频结果37.64 Hz,低于箱盖边缘区域的扫频结果39.38 Hz,这是因为系统箱盖中间区域的刚度最弱,边缘区域刚度较高;3)三种试验状态,系统一阶频率即扫频结果最低的是状态二37.04 Hz;其次是状态一扫频结果为37.53 Hz;最高的是状态三,扫频结果为37.64 Hz,当系统单独增加箱盖后系统刚度有所提升,箱体的边框通过螺栓和箱盖连接到一起,导致系统刚度得到提高,仿真结果与扫频测试结果吻合度较高;4)状态一和状态三的箱盖扫频结果分别是27.06 Hz和27.13 Hz,和仿真结果23.57 Hz比较,在允许误差5%范围内。
3.2 B项目仿真试验对标
针对两种状态的系统分别进行了模态分析,根据输出结果文件中的质量参与系数,分别得到了有无支撑泡棉两种状态电池包及其箱盖的一阶固有频率,如图6所示。
(a) 无泡棉模态结果( f=37.3 Hz )
(b) 有泡棉模态结果( f=39.7 Hz )
图6 B项目电池系统模态分析结果
根据两种状态的仿真结果,对应设计了两种试验,分别对无泡棉和有泡棉开展扫频测试,测试过程如图7所示,扫频试验结果如图8所示。
和方差(SSE)为3.838,确定系数(R-square)为0.962 1,调整后确定系数(Adjusted R-square)为0.957 4,均方根(RMSE)为0.399 9。
(a) 无泡棉系统扫频测试样包
(b) 有泡棉系统扫频测试样包
图7 B项目电池系统扫频样包状态
图8 B项目有无泡棉电池系统扫频测试对比
根据B项目仿真与试验对标结果得出以下结论:
1)当箱盖刚度较大时,箱盖自身一阶频率23.4 Hz,粘贴泡棉后,系统刚度可以得到提升,电池包箱盖内表面没有粘贴泡棉时,系统的一阶频率为38.24 Hz,粘贴泡棉后,系统的一阶频率提升到39.86 Hz,系统一阶频率提高了1.62 Hz;2)本项目模态分析结果得到有无泡棉两种状态的系统一阶频率,对比扫频测试得到的结果,误差在允许范围5%以内,满足工程实践常用标准要求。
4 结论
本文模态分析结果与扫频测试结果吻合性较好,说明本文建模方法和系统各零部件材料参数设置是合理的;2)当电池包箱盖刚度较高或箱盖固频和系统固频越接近时,往往可以通过在箱盖内表面粘贴泡棉的方式提高系统刚度;3)箱盖扫频结果和系统扫频结果一致,因为箱盖本身并未被激励,由于激励信号由振动台传递至工装,然后传递至电池箱体,再至箱盖,过程中激励信号经过多次削弱,由于扫频加速度是一定的,低频时扫频能量较弱,最终导致箱盖未被激励;4)根据箱盖同一位置有无泡棉情况下扫频测试结果可知,在箱盖材料阻尼相同的情况下,箱盖下部有支撑泡棉情况增加了局部刚度,结构阻尼较小,因而产生一定的加速度响应,箱盖下部无支撑泡棉情况箱盖的刚度较弱导致结构阻尼较大,根据振动理论会出现响应低于激励的情况[10]。
参考文献
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[7] 杜嘉峰,贺廷俊,陈文斐,等.蓄电池支架螺栓预紧力试验对标及结构优化[J].汽车实用技术,2021,46(9): 97-99.
第一作者
罗鸿,中国药科大学生命学院2023级硕士研究生,获国家发明专利6项,计算机软件著作权29项,各项专利16项。
陶婷婷,中国药科大学生命学院2023级硕士研究生。
胡筝如,中国药科大学生命学院2023级硕士研究生。