某新能源汽車電池熱管理機組振動分析

鄭明超 蔡培裕 張克鵬 嚴柏熠

（浙江盾安人工環境股份有限公司）

新能源汽車電池包的隔熱散熱關系到電池的安全性、經歷長期工況后的性能一致性及系統可靠性。電池熱管理機組作為控制電池包溫度的關鍵部件之一，機組內部布置了大量的管路和其他零部件，這些零部件通過螺栓或焊接的方式與機組鈑金框架相連。整個機組受到汽車不同運行工況下的激勵載荷作用，如果載荷頻率與電池熱管理機組某一階固有頻率接近或相同，就可能會引起共振，導致局部應力過大，零部件及系統可靠性大大降低。GB/T21361—2008對汽車用空調器振動試驗的要求作出了明確規定。文章利用HyperMesh建立整個電池熱管理機組的有限元模型，利用ABAQUS求解器進行系統的模態和諧響應分析，根據分析結果判定設計方案的可靠性和合理性。

1 電池熱管理機組的有限元模型建立

1.1 幾何模型建立

幾何模型是建立CAE有限元模型的基礎，在SolidWorks中建立某電池熱管理機組幾何模型，如圖1所示。為便于有限元前處理，將模型導出為.step格式。

圖1 某電池熱管理機組幾何模型圖

1.2 有限元模型建立

針對電池熱管理機組，文章采用主流CAE前處理軟件HyperMesh進行網格劃分[1]。在進行網格劃分時，根據部件的幾何特征，鈑金結構（安裝腳和鈑金框架）、管路（內部管路）使用殼單元，非考核部件（板式換熱器、壓縮機、PTC加熱器及風機）使用殼單元+附加質量模擬，使其質量與質心位置與實際相同。模型中殼單元有三節點和四節點2種，其單元類型分別為S3和S4R，單元基本尺寸設為10 mm；冷凝器用六面體單元，單元類型為C3D8R，單元基本尺寸設為8 mm；螺栓用MPC替代，由于模態分析及諧響應分析是線性分析技術，非線性的接觸設置不起作用，因此，部件間接觸采用Tie模擬。最終有限元模型共有節點數為62 858，單元數為65 696，電池熱管理機組有限元模型及局部細節，如圖2及圖3所示。

圖2 某新能源汽車電池熱管理機組有限元模型圖

圖3 某新能源汽車電池熱管理機組局部有限元模型圖

2 電池熱管理機組的模態分析

2.1 模態理論

模態分析用于確定結構的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動態載荷結構設計中的重要參數。模態分析也是響應譜分析和模態疊加法諧響應分析必需的前期分析過程。模態分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用，是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法[2-3]。

利用有限元方法求解結構的動態特性時，結構動力學方程，如式（1）所示。

式中：[M]——質量矩陣；

[C]——阻尼矩陣；

[K]——剛度矩陣；

{F}——激勵力矢量；

{U}——位移矢量；

在模態求解時，假定結構自由振動，則取{F}={0}。理論分析和實踐均表明，阻尼對結構固有頻率和振型影響不大，可忽略不計，因此，式（1）成為無阻尼自由振動方程，如式（2）所示。

線性系統自由振動為簡諧形式，如式（3）所示。

則微分方程轉化為：

得到特征方程，如式（5）所示。

式中：ω——系統的固有頻率，rad/s；

φ——相應的振型。

本次分析采用ABAQUS求解器及分塊Lanczos方法進行求解。

2.2 材料設定

如圖1所示，在電池熱管理機組中，安裝腳、鈑金框架、內部管路、板式換熱器、壓縮機及PTC加熱器的材料為碳鋼Q235，冷凝器的材料為鋁合金3003，風機的材料為ABS塑料，計算中用到的材料屬性，如表1所示。

表1 某新能源汽車電池熱管理機組材料屬性表

2.3 約束邊界條件

圖4示出某新能源汽車電池熱管理機組安裝腳約束邊界條件。電池熱管理機組兩側有安裝腳與框架相連，每側安裝腳各有2個螺栓孔（如圖4中紅色虛線框所示），約束螺栓孔處節點的1～6自由度。

圖4 某新能源汽車電池熱管理機組安裝腳約束示意圖

2.4 模態分析

GB/T 21361—2008《汽車用空調器》振動試驗方法中規定，振動試驗頻率為33 Hz或67 Hz。提取的模態頻率范圍應將其包含在內，設定提取模態數為0～20階，提交ABAQUS求解器進行求解，得到模態頻率值，如表2所示。若提取模態不足，可重新設定更高階數。圖5示出電池熱管理機組前4階模態振型云圖。

表2 某新能源汽車電池熱管理機組模態頻率表 Hz

圖5 某新能源汽車電池熱管理機組前4階模態振型云圖

電池熱管理機組通過安裝腳與振動試驗臺相連，從模態分析結果來看，第13階模態頻率和GB/T 21361—2008《汽車用空調器》振動試驗方法中規定的試驗頻率（67 Hz）一致，有可能發生共振現象。

3 電池熱管理機組的諧響應分析

3.1 諧響應分析理論

諧響應是結構在周期載荷作用下產生的周期響應。諧響應分析能夠預測結構的持續動力特性，驗證結構設計是否能克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。諧響應分析用于計算結構在不同頻率下的響應，可以觀察到峰值響應頻率對應的應力。諧響應分析是線性分析技術，任何非線性特性將被忽略[4]。諧響應分析求解結構動力學方程，如式（6）所示。

由于阻尼的存在，各節點相位可以不同，因此，節點位移的表達式，如式（7）所示。

式中：Umax——位移幅值；

θ——位移相位角；

t——時間，s；

i——虛數單位；

e——自然常數。

將動力學方程改寫為復數形式，如式（8）所示。

式中：{U1}，{U2}——位移實部矢量、虛部矢量；

{F1}，{F2}——力實部矢量、虛部矢量。

本次分析采用ABAQUS求解器及模態疊加法進行求解。

3.2 載荷邊界條件

按照GB/T21361—2008《汽車用空調器振動》試驗方法的規定，在33 Hz和67 Hz時電池熱管理機組x，y，z向的加速度載荷均為3 g。

3.3 諧響應分析

電池熱管理機組在受到加速度簡諧載荷時，因框架與壓縮機、換熱器等零部件的固定板均是鈑金結構，這些鈑金件受破壞風險最大，影響上面安裝部件的安全運行。因此，文章在進行諧響應分析時，主要考察電池熱管理機組的鈑金件[5]。

圖6示出電池熱管理機組在激勵頻率為33 Hz時3種工況下的應力云圖。從圖6可以看出，橫向（x向）載荷工況下，其最大應力為110.5 MPa，出現在背面鈑金與底殼鈑金的中間連接螺栓孔附近；縱向（z向）載荷工況下，其最大應力為86.2 MPa，出現在板式換熱器固定支架折彎附近；垂向（y向）載荷工況下，其最大應力為59.9 MPa，出現在板式換熱器固定支架折彎附近。

圖6 電池熱管理機組在激勵頻率為33 Hz時3種工況應力云圖

圖7示出電池熱管理機組在激勵頻率為67 Hz時3種工況下的應力云圖。

圖7 某新能源汽車電池熱管理機組在激勵頻率為67 Hz時3種工況應力云圖（應力/MPa）

從圖7可以看出，橫向（x向）載荷工況下，其最大應力為53.7 MPa，出現在正面鈑金與進出水口相連位置；縱向（y向）載荷工況下，其最大應力為111.9 MPa，出現在出口管和高壓加注口相連位置；垂向（z向）載荷工況下，其最大應力為75.5 MPa，出現在板式換熱器固定支架折彎附近。從圖6和圖7可以看出，2種激勵頻率、3個載荷方向工況下，電池熱管理機組的最大應力均未超過其材料的屈服強度（235 MPa）。

4 結論

文章以某電池熱管理機組為研究對象，運用SolidWorks建立了機組幾何模型，利用HyperMesh建立了有限元模型，在此基礎上，用ABAQUS求解器進行了模態分析和諧響應分析。分析表明，各工況下機組最大應力均未超過材料的屈服強度，整體滿足設計要求。

文章對電池熱管理機組進行模態分析后，發現機組存在與試驗頻率（67 Hz）相同的模態頻率，后期還需進行優化設計，避開共振區域。