基于ANSYS Workbench的電池包箱體有限元分析

譚麗輝　李春陽

摘? ?要：文章使用ANSYS Workbench平臺對電池包箱體進行靜、動態有限元分析。由靜態有限元分析結果可知箱體上蓋在顛簸工況下受力較大，產生較大的變形量，由模態分析亦發現上蓋均呈現不同形式的上下振動，發生彎曲變形，其動剛度不足，故得到上蓋是箱體結構的薄弱位置。

關鍵詞：電池包箱體;上蓋;有限元

動力電池作為純電動汽車唯一的能量來源，對整車性能影響尤為重要。通常由于車身空間限制，常以懸掛的方式安裝在汽車底盤下方。車輛行駛過程中由于各種路面不平度，導致電池包時刻承受著來自路面的振動激勵，對其抗震性、耐久性、電連接的可靠性、連接件防松性等提出了客觀要求[1-5]。

本文基于ANSYS Workbench平臺，結合實際工況對電池包箱體進行靜、動態有限元分析，判斷箱體結構的薄弱位置。

1? ? 箱體有限元分析

1.1? 有限元模型構建

圖1為某款電池包結構示意，整個電池包呈較規則的長方體。為了正確模擬力的傳遞路徑，將復雜的電池模組簡化為較規則的方形體，同時將簡化的電池模組引入到電池包箱體，并將上蓋作透明處理，作為后續電池包箱體有限元分析模型。

基于ANSYS Workbench軟件的網格剖分和接觸自動識別技術，本文采用solid185單元在箱體厚度方向布置兩層網格，單元尺寸為20×20 mm，進行箱體結構模擬。

電池包箱體分別通過兩側的3個掛點懸掛在汽車底盤上，故約束施加在箱體的兩側掛點上。本文是采用實體單元對箱體進行有限元模型構建的，只具備3個平動自由度，故對掛點表面上的節點也僅約束3個平動自由度。

為了考察電池包箱體結構是否能夠保護內部電池模組和電氣連接安全。本文選擇了不同典型工況對箱體做靜態有限元分析。表1給出了典型靜態工況及加載方式（已包含重力加速度）。

1.2? 靜態有限元分析結果

在ANSYS Workbench中利用靜力學模塊可求得上述3種典型工況下電池包的變形分布情況。從電池包的變形情況可知，在急剎車工況下，下箱體前后受力明顯，但沒有發生明顯的變形，最大變形量僅為0.08 mm;在顛簸工況下，箱體上蓋受力明顯，最大變形量達到22.65 mm;在顛簸和急轉彎組合工況下，箱體上蓋依舊為主要受力區，最大變形量為22.66 mm，與顛簸工況相比，急轉彎對箱體上蓋變形的影響有限。綜上可見，在顛簸工況下箱體上蓋受力較大，產生較大的變形量。依據電池包的靜力學特性評價標準[6]，由靜態有限元分析結果可見，箱體上蓋是剛度薄弱件。

1.3? 模態分析結果

在車輛實際行駛過程中，電池包的受力是復雜多變的，對其動態特性的研究是必不可少的，最主要的是模態分析。

基于Lanczos方法，本文提取箱體結構的前六階固有頻率，其中前三階固有頻率均低于30 Hz，一階固有頻率僅為13.66 Hz，發生共振的風險較大。由前六階振型圖可知共振區域均發生在箱體上蓋，分別存在1～4處共振區域不等，上蓋均呈現不同形式的上下振動，發生彎曲變形，可見其動剛度不足，亟待加強。

為避免共振情況發生，箱體上蓋一階頻率需高于路面的激勵頻率。表2給出了3種常見路面對應的激勵頻率，可見，由路面不平度產生的激勵頻率最高為27.78 Hz，而箱體上蓋一階固有頻率僅為13.66 Hz，箱體上蓋的一階頻率需高于27.78 Hz，即滿足設計要求。

2? ? 結語

本文基于ANSYS Workbench軟件，由電池包的靜態有限元分析可知箱體上蓋在顛簸工況下受力較大，產生較大的變形量;而由動態有限元分析發現箱體上蓋一階固有頻率僅為13.66 Hz，遠遠低于路面不平度產生的激勵頻率27.78 Hz，綜上可見上蓋是箱體結構的薄弱位置。

[參考文獻]

[1]孫小卯.某型電動汽車電池包結構分析及改進設計[D].長沙：機械與運載工程學院，2013.

[2]馮富春，史曉妍，劉麗榮，等.基于Ansys Workbench的動力電池箱體有限元分析[J].電源世界，2014（11）：33-35.

[3]儲毅，劉華鋒，趙明宇，等.基于FEM的電動汽車快換電池箱模態分析與優化[J].制造業自動化，2012（12）：104-107.

[4]郜效保.微型純電動汽車電池包結構設計與碰撞安全性研究[D].長沙：機械與運載工程學院，2016.

[5]李明秋.電池包箱體的有限元分析和結構優化設計[D].長春：吉林大學，2017.

[6]王芳，夏軍.電動汽車動力系統安全分析與設計[M].北京：科學出版社，2016.