基于FEM的電動汽車快換電池箱模態分析與優化

儲 毅，劉華鋒，趙明宇，王 剛，路致遠

(中國電力科學研究院 南京分院，南京 210061)

0 引言

電動汽車快換動力電池箱是應對現有電動汽車續航時間短、充電時間長而出現的電動汽車運行模式。快換動力電池箱是電動汽車動力電池的載體，包括整體框架、電池、BMS系統、連接器和線纜組成。快換動力電池箱起到固定電池的作用，并在電動汽車運行過程中為電池提供良好的運行環境。由于快換動力電池箱隨著電動汽車一同運行，所以必須要考慮快換動力電池箱的振動特性。避免設計過程中出現電池箱振動過大導致的電池及相關附件的損壞。

針對電動汽車的研究，國外主要針對BIW[1]和NVH[2]進行研究,由于國外沒有快速換電形式的電動汽車，故此方面的研究處于空白。國內針對此現狀提出了電池快速更換的方法，也在這方面進行了很多有益的研究，桑林等人對電池箱進行了振動方面的實驗，得出了路試條件下的功率密度參數[3]。張永峰等人研究快換電池箱防脫技術，提高了電池箱的安全性[4]。

基于FEM電動汽車快換電池箱的振動仿真分析還較少，本文通過對電池箱的仿真分析，得出自由模態和約束模態下電池箱的振型和模態參數，并對電池箱優化提出意見，已滿足電池箱在實際運行過程中的各項要求，保證電動汽車的安全運行。

1 電池箱的模態分析理論基礎

機械結構的固有振動特性稱為模態，固有頻率、阻尼比和振態模型是每一階模態固有的性質。模態分析的經典定義是：將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦，成為一組以模態坐標及模態參數描述的獨立方程，以便求出系統的模態參數[5]。

多自由度直接法的方程一般為：

式中， X(t)，X'(t)和X"(t)分別為系統的位移、速度和加速度矩陣，{p(t)}為激振力矩陣。M、K和C分別稱為系統的質量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣。

由于系統阻尼影響較小，故將其簡化為線性時不變系統，將式（1）進行拉氏變換，可得：

式（3）即為系統位移阻抗矩陣，式（4）即為傳遞函數矩陣。

在線性時不變系統中，系統響應是各階模態響應的線性組合，故：

對于無阻尼和比例阻尼系統，模態矩陣?正交，故式（2）變為：

式（1）可表示為：

電動汽車快換電池箱的現有結構采用鈑金件焊接而成，由于其結構的復雜性并且包含眾多大面積薄壁鋼板，可以在一定條件下簡化成離散的多自由度系統[6]。電動汽車動力電池箱是復雜的機械結構，對電池箱建立整體數學模型解析模態很難實現，因此利用有限元軟件進行求解。

2 有限元模型的建立

本文利用Hypermesh結合MSC.NASTRAN的方式對動力電池箱進行分析。首先，將建立好的三維模型導入Hypermesh進行網格劃分。整體網格數62400，單元類型為六面體單元，如圖1所示。

電池箱采用普通結構鋼，材料屬性如表1所示。

由于電池箱為滿足快換需要，將結構分為內外箱，故在分析過程中將分析自由模態和約束模態兩種情況。內箱1和外箱2通過鎖3和一對銷4鏈接，二者的電氣連接通過連接器5完成。在內箱和外箱之間的銷連接處采用剛度為1000N/mm的彈簧進行夾緊。而電池作為主要質量來源共有32塊，每塊質量5.6kg，如圖2所示。

3 電池箱的模態分析結果

根據Lanczos Method，計算得到電池箱的自由狀態下的模態如表2所示。

圖2 電池箱結構示意圖

表2 電池箱模態對應表

自由模態分析過程中，由于模型存在6個自由度，所以模態分析前6階頻率幾乎為0，即模型具有6階剛體運動模態，故Nastran計算結果的前6階幾乎為零[5]。第7階開始是本文需要研究的振動特征。

電動汽車的振動主要來源于驅動電機的振動[6]、路面顛簸的振動以及其他部件的振動，頻率主要集中在30Hz以下。故本文對30Hz以下的模態進行重點研究。

圖3 電池箱自由模態振型圖

從圖3可以看出，在頻率小于30Hz的情況下，電池箱振幅最大位置出現在電池箱上蓋板（即圖2紅色蓋板），這個頻率階段與汽車振動源頻率相近，很容易引起振動，所以在上蓋板除必須提高其剛度。

以上為自由模態下電池箱的振型分析，為進一步確認危險位置，將上蓋板隱藏，觀察整個電池箱振型，如圖4所示。

圖4 電池箱自由模態振型（去掉上蓋板）

由圖4可以看出，圖3的結論是基本正確的。除上蓋板以外的部分，振幅遠遠小于上蓋板處振幅，故自由模態下的電池箱振動危險位置在上蓋板處。

自由模態分析初步顯示了電池箱的振型，但是實際情況往往并不是自由模態，所以，本文對約束模態下的電池箱進行分析。本文根據實際情況在電池箱鎖處和內外箱銷鏈接處設置接觸，將內箱固定在外箱上進行約束模態分析，而由于前述結論，將上蓋板隱藏，避免振幅過大引起的計算發散，分析得到振型結果如圖5所示。

從圖5可以看出，隱去上蓋板，電池箱振型較小，但是危險位置出現在電池箱內箱中部隔板出，故應加強此處剛度。

圖5 電池箱約束模態振型（去掉上蓋板）

4 結果分析與優化

本文通過對電動汽車動力電池箱的振動性能進行分析，得出動力電池箱在關注頻率內的模態分析結果。

根據上述結果，可以得到如下結論：

1）自由模態的分析結果顯示：電池箱振動最大位置出現在電池箱內箱上蓋板，并且振幅非常大，此處結構上屬于剛度最薄弱處，必須給與加強。而除去上蓋板的分析結果表明：其余零件的模態振型均較小，沒有明顯的剛度不足處，說明設計較為合理。

2）約束模態的分析結果表明：除去上蓋板，在比較關心的20Hz領域電池箱內隔板的振動幅度較大，也屬于薄弱部件，由于此處關系到內部電池的固定，對電池抗振性能有較大影響，故在結構優化中也必須加以高度重視，進行加固。

5 結論

根據以上分析結果，對快換電池箱進行優化，大大提高了快換電池箱的抗震性能，相關產品已經通過檢測，并成功進行了路試。相關產品已經被長春、四川等相關項目采用，受到了用戶的肯定。

[1] Mundo D，HadjitR. Simplified Modeling of Joints and Beamlike Structures for B1W Optimization in a Concept Phase of the Vehicle Design Process. Finite Elements in Analysis and Design, 2009, 456-462.

[2] Shahram Azadi1, Mohammad Azadi2, and Farshad Zahedil,NVH analysis and improvement of a vehicle body structure using DOE method, Mechanical Science and Technology[J], 23 (2009) 2980-2989.

[3] 桑林, 李志明, 潘成. 電動汽車動力蓄電池箱振動特性試驗研究[J], 電子測試, 2011, 12.

[4] 張永峰, 張洋, 朱云霄.電動汽車快換電池箱閉鎖機構防脫技術研究[J]. 數字化仿真技術, 2011, 2.

[5] 傅志方, 華宏星. 模態分析理論與應用[M].上海:上海交通大學出版社, 2000.

[6] 靳曉雄, 張立軍, 江浩. 汽車振動分析[M].上海: 同濟大學出版社, 2002.

[7] 白坤雪, 尹韶平. 基于HyperMesh和Nastran的魚雷還水管有限元分析[J]. 魚雷技術,2012,20(1):14-18.

[8] 曹勇, 樂玉漢, 姚澤勝. 基于NVH性能的電動汽車車身模態匹配與優化[J]. 上海汽車, 2011, (5): 29-32.