某新能源輕卡電池熱管理機組NVH分析研究

張克鵬

浙江盾安人工環境股份有限公司 浙江杭州 310051

1 前言

新能源汽車電池包的隔熱散熱關系到電池安全及經歷長期工況后的一致性問題，影響系統安全性和可靠性。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。整個機組受到車輛不同運行工況下的激勵載荷，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，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/T 21361-2008《汽車用空調器》對汽車用空調器振動試驗的要求作了明確規定。

文中利用HyperMesh軟件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。

2 電池熱管理機組的有限元模型建立

2.1 幾何模型建立

幾何模型是建立CAE有限元模型的基礎，在SolidWorks中建立如圖1所示的幾何模型，為便于有限元前處理，將模型導出為.stp格式。

電池熱管理機組主要由安裝腳、鈑金框架、內部管路、板式換熱器、壓縮機、冷凝器、PTC加熱器、風機等部件組成，電池熱管理機組如圖1所示。

2.2 有限元模型建立

針對電池熱管理機組，筆者采用主流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、管路使用殼單元，非考核部件如板式換熱器、壓縮機、PTC加熱器、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。單元類型為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62 858，單元數65 696，電池熱管理機組有限元模型如圖2所示，局部細節圖如圖3所示。

圖1 某新能源汽車電池熱管理機組

圖2 電池熱管理機組有限元模型

圖3 電池熱管理機組局部有限元模型

3 電池熱管理機組的模態分析

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]。本次分析采用ABAQUS求解器及分塊Lanczos方法進行求解。

3.1 材料設定

在電池熱管理機組中，參照圖1，其中安裝腳、鈑金框架、內部管路、板式換熱器、壓縮機、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 電池熱管理機組材料屬性

3.2 約束邊界條件

電池熱管理機組兩側有安裝腳與框架相連，每側安裝腳各有兩個螺栓孔。如圖4紅色虛線框所示，約束螺栓孔處節點的1~6自由度。

圖4 熱管理機組的安裝腳約束示意圖

3.3 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為電池熱管理機組前4階模態振型

表2 電池熱管理機組的固有頻率

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。

4 電池熱管理機組的諧響應分析

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]。本次分析采用ABAQUS求解器及模態疊加法進行求解。

4.1 載荷邊界條件

按GB/T 21361-2008《汽車用空調器》振動試驗方法的規定，表3給出了33 Hz和67 Hz時電池熱管理機組的載荷及加載方向。

表3 電池熱管理機組載荷及加載方向

4.2 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，影響安裝在上面部件的安全運行。因此，文章諧響應分析時，主要考察電池熱管理機組的鈑金件[5]。

圖5 電池熱管理機組前4階振型云圖

圖6～8為電池熱管理機組在激勵頻率33 Hz時3種工況下的應力云圖。從計算分析結果來看，橫向X載荷工況下，其最大應力為110.5 MPa，最大應力出現在背面鈑金與底殼鈑金的中間連接螺栓孔附近；縱向Y載荷工況下，其最大應力為59.9 MPa，最大應力出現在板式換熱器固定支架折彎附近；垂向Z載荷工況下，其最大應力為86.2 MPa，最大應力出現在板式換熱器固定支架折彎附近。

圖8 33 Hz縱向Z工況應力云圖（應力/MPa）

圖9～11為電池熱管理機組在激勵頻率67 Hz時3種工況下的應力云圖。

從計算分析結果來看，橫向X載荷工況下，其最大應力為53.7 MPa，最大應力出現在正面鈑金與進出水口相連位置；縱向Y載荷工況下，其最大應力為75.5 MPa，最大應力出現在板式換熱器固定支架折彎附近；垂向Z載荷工況下，其最大應力為111.9 MPa，最大應力出現在出口管和高壓加注口相連位置。

兩種激勵頻率、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。

5 結語

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屈服強度，整體滿足設計要求。

圖9 67 Hz橫向X工況應力云圖（應力/MPa）

圖10 67 Hz垂向Y工況應力云圖（應力/MPa）

圖11 67 Hz縱向Z工況應力云圖（應力/MPa）

文章對某新能源輕卡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。