動力電池包載荷譜虛擬迭代分析

陳玉祥，熊飛，朱林培，劉雄

動力電池包載荷譜虛擬迭代分析

陳玉祥，熊飛，朱林培，劉雄

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

采用ADAMS建立車身-電池包剛柔耦合多體動力學模型以及電池包系統的六通道虛擬試驗臺。基于電池包實測載荷譜，通過虛擬迭代分析，各通道的相對損傷值接近1，驗證了迭代計算的收斂性。研究方法對電池包的結構疲勞分析和振動響應特性研究具有重要的參考價值。

電池包；載荷譜；虛擬迭代

前言

電池包系統是電動汽車核心系統之一，電池包良好的結構力學性能是電動汽車具備安全性和可靠性的基礎。由于電池包的電化學特性具有危險性，同時載荷條件非常復雜，對電池包的結構可靠性提出了更高的要求。電池包安全性問題也制約了新能源汽車產業的發展。電池包常規分析，比如頻譜分析、振動分析，往往與實際工況存在一定的出入，并不能真實反映電池包的真實受力和振動情況。而電池包的測試周期長，成本高。因此，開展電池包虛擬試驗技術，進行載荷迭代分析是非常重要的。

本文以某電動汽車電池包為研究對象，通過結合實測道路譜的虛擬迭代技術對電池包的載荷譜進行準確預測，為開展電池包的結構疲勞分析和振動響應分析提供載荷輸入。

首先，利用實際采集的電動汽車路譜，通過二十四通道加速度振動試驗臺，獲得實車在綜合循環路況下使用的動力電池包的道路譜。其次，對電池包數模進行適當簡化，建立包含殼體和模組的電池包有限元模型，通過模態分析，得到電池包柔性體模型。采用車身等效質量塊和柔性電池包連接，建立車身-電池包剛柔耦合動力學模型。然后，在ADAMS軟件中建立電池包六通道試驗臺，與車身-電池包剛柔耦合多體動力學模型組建迭代計算的虛擬振動試驗臺，通過迭代軟件進行虛擬迭代計算，并通過信號比較驗證迭代計算的收斂性[1]。

1 電池包道路載荷譜臺架測試

電動汽車包含眾多的系統及部件，對每個部件都進行實際道路載荷譜的采集是不現實的，為了真實地了解汽車及其零部件在使用環境下的狀態，一般將實車采集的道路載荷譜加載在室內臺架試驗，通過臺架試驗獲得其它部位的載荷響應。電池包的安裝空間緊湊，在不能布置傳感器的位置，試驗方法也不可行，而通過關鍵部位的實測載荷譜，利用虛擬迭代技術，便可以準確預測其它位置的載荷譜[2]。

將襄樊試驗場獲得的道路載荷譜用于二十四通道臺架，模擬綜合耐久試驗，測量動力電池關鍵部位加速度信號，為虛擬迭代計算電池包載荷譜提供收斂性判斷依據。測試的車輛信息如表1所示。

表1 試驗車輛信息

試驗車輛經過充分磨合，胎壓正常，試驗前動力電池電量達到80%以上。裝載質量參照GB/T12534 第3章第1條規定，對懸架、剎車等進行檢查，確保試驗車輛狀況良好、符合汽車道路試驗規程。試驗過程如圖1所示。電池包和車身左右各有7個螺栓連接點，在左側7個螺栓連接點布置加速度傳感器，如圖2所示。以測點左1為例，測試獲得的電池包載荷譜如圖3所示。

圖2 電池加速度傳感器布置位置

圖3 電池包測點1在Z方向加速度

2 虛擬迭代模型建立

2.1 車身-電池包剛柔耦合建模

電池包柔性體模型通過有限元軟件計算得到，電池包柔性體需要與車身連接，在電池包網格處理時預留相應的連接點。有限元模型建立采用精確的幾何模型，本文采用HyperMesh軟件進行有限元前處理，幾何模型導入分析軟件后，對薄壁零件進行殼單元網格處理，先抽取板殼構件的中面，并對中面進行仔細檢查，處理好容差間隙等，防止抽取的中面出現斷裂問題，保證網格的質量。為了使電池的結構與實際保持一致，對每個模組都進行詳細網格劃分，并確定好模組的連接方式。在HyperMesh有限元網格劃分時，對不同部件進行特殊處理，電池包殼體采用殼單元網格，模組的網格進行局部細化，采用六面體網格。通過ABAQUS軟件生成mnf柔性體文件后，導入ADAMS軟件中生成電池包柔性體。電池包模態中性文件如圖4所示，藍色顯示主要為電池包的殼體，紅色顯示為某一模組。

圖4 電池包模態中性文件

車身用等效質量體替代，轉動慣量與實車保持一致。將電池包與車身螺栓連接點位置建立Interface Part，把車身和電池包連接起來。車身-電池包剛柔耦合模型如圖5所示。模型的組成，部件的空間分布，連接關系，位置等等，都需要盡可能的客觀和準確。

圖5 車身電池包剛柔耦合模型

2.2 六通道試驗臺建模

六通道虛擬試驗臺的力施加給車身，通過車身和電池包的連接，將載荷從車身傳遞到電池包，車身應考慮自身質量及轉動慣量。本文建立的六通道虛擬試驗臺如圖6所示，其中垂向臺柱有3個，縱向臺柱1個，側向臺柱2個，能模擬六自由度運動。

六通道試驗臺是振動激勵的源頭，其自身的運動學關系非常重要，常常由于過約束問題導致系統迭代計算失敗。首先應正確定義試驗臺各部件之間的運動副，然后定義試驗臺與電池包系統之間的連接通訊器，通訊器是模型數據傳遞的關鍵。

圖6 六通道虛擬試驗模型

2.3 虛擬迭代模型建立

電池包與車身之間通過螺栓連接，從圖2可知，電池包左右連接螺栓共有14個。為了全面地反映受測部件的真實振動情況，提高測量的信噪比，選擇電池包左測1、6、7螺栓安裝點、右側1、4、5螺栓安裝點為虛擬臺架的連接點。為了防止仿真仿真過程中可能出現的漂移和翻轉等問題，采用位移和力混合驅動的方法作為輸入的激勵信號。其中左1、7螺栓連接點和右1螺栓連接點為垂直Z方向位移加載位置，左6螺栓連接點為前后X方向力加載位置，右4、5螺栓連接點為左右Y方向力加載位置。六通道虛擬試驗臺激勵點信息如表2所示。

表2 六通道虛擬試驗臺激勵點信息

通過前面分析，在ADAMS/Car環境下，分別建立了車身-電池包剛柔耦合多體動力學模型和六通道試驗臺架，并確定好了連接點位置及激勵加載方式。然后通過子系統建立裝配組合，建立電池包載荷譜虛擬迭代模型。基于虛擬試驗臺的電池包系統多體動力學模型如圖7所示。驗證車身電池包系統多體動力學模型各部件及總質心位置、質量、轉動慣量等與實際模型保持一致后，輸出.adm模型文件，并進行必要定義，為虛擬迭代軟件的調用做好準備。

3 虛擬迭代計算

3.1 計算過程及結果

基于電動汽車車身-電池包六通道虛擬迭代模型，結合獲取的電動汽車電池包道路譜，通過虛擬迭代求解得到電池包的載荷譜。虛擬迭代是不斷調用多體動力學模型進行計算的過程，通過ADAMS和迭代軟件聯合求解，在迭代軟件中設置正確的求解環境，并關聯正確的讀寫路徑，迭代軟件就可以調用ADAMS軟件的模型進行迭代計算。

在ADAMS生成.adm模型文件前，需在ADAMS界面中通過Spline為模型定義輸入、通過Request定義輸出。定義的輸入就是表2所述的激勵信號，5個響應通道設置如表3所示，設置采樣頻率256Hz，與實測數據采樣頻率一致。響應點位置與室內試驗臺測試點位置一致，以便進行響應信號和目標信號的對比[3]。

表3 響應測點位置及信息

為了得到系統的響應傳遞函數，先通過Pink noise噪聲進行輸入，得到系統的響應，通過噪聲及多體模型的響應之間的關系便可以計算得到系統的傳遞函數。噪音信號通過在頻域定義的振幅特性來生成，Number of blocks數量依賴于工程經驗，采取系統默認Proposal值[5]。在虛擬迭代軟件中設置輸入信號及通道信息如圖8所示，輸出信號及通道信息如圖9所示。

圖9 輸出通道設置

3.2 迭代結果分析

定義好迭代所需要的各參數后即可進行虛擬迭代計算，計算過程中實時監測響應信號和目標信號的相對損傷值，確認迭代的收斂性，如果各通道信號的相對損傷值偏離1，需要重新檢查輸入輸出信號[5]。本文車身-電池包多體動力學模型在進行6次迭代后，相對損傷值最小值為0.83，最大值為1.46，各通道迭代趨于收斂，相對損失值隨迭代次數變化如圖10所示。

圖10 相對損傷隨迭代次數的變化

圖11是左1螺栓位置的響應加速度信號和目標加速度信號在時域的對比，圖12是信號局部放大結果的對比。圖13是左1螺栓位置響應加速度信號和目標加速度信號在頻域的對比。

圖11 左1加速度信號時域對比

圖12 左1加速度信號時域局部對比

通過圖11和圖12加速度的響應信號與目標信號的時域對比，信號的峰值和相位保持一致。圖13在頻域上的對比發現，測試加速度功率譜密度最大值比響應加速度功率譜密度最大值略大，但一致性較好，變化趨勢基本吻合，虛擬迭代結果滿足分析精度的要求。響應信號與目標信號存在一定的誤差，主要由模型的簡化、信號的處理等因素造成的。

圖13 左1加速度信號頻域對比

4 結論

（1）搭建了基于車身-電池包剛柔耦合模型的虛擬試驗臺架，通過虛擬迭代計算，相對損傷值最小值為0.83，最大值為1.46，迭代計算滿足收斂性要求。

（2）各通道信號在時域和頻域都有較好的一致性，虛擬迭代的精度滿足工程分析的要求。

（3）本文研究方法為電池包進行結構疲勞等分析提供了重要的載荷譜輸入，縮短了研發周期。

[1] 沈宏杰,周鋐.汽車零部件道路模擬加載譜研究[J].汽車工程,2010, 32( 2):159-162.

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[5] Helmut D, Matthias M, Otmar G, et al.Integrating virtual test meth -ods and physical testing to assure accuracy and to reduce effort and time. SAE paper, 2006-01-3563.

Virtual iterative analysisof load spectrum for traction battery pack

Chen Yuxiang, Xiong Fei, Zhu Linpei, Liu Xiong

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

The rigid-flexible coupled multi-body dynamic model of the body-battery pack system used for virtual test bench was established by using ADAMS.Based on the measured load spectrum of the battery pack, the relative damage value of each channel was close to 1 through virtual iterative analysis, which verified the convergence of iterative calculation.The research method has important reference value for the structural fatigue analysis and vibration response research of battery pack.

Battery pack;Load spectrum;Virtual iterative

U469.72

A

1671-7988(2019)14-03-04

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陳玉祥，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，從事新能源汽車熱管理分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.001