農場電動汽車電池模組隨機振動疲勞分析

高文英

(沈陽職業技術學院科技學院，遼寧沈陽 110045)

0 引言

在農業機械化及自動化嚴峻形勢下，結合能源、環境和工作效率自動化的問題，能源動力轉型成為全球共識，發展大型農場用電動汽車已成為農業自動化的主攻方向。電池是農場電動汽車的能量儲存裝置，是電動汽車的動力來源，其好壞直接影響電動汽車的安全性、功率密度、壽命以及成本等。針對農場路面高低不平，動力電池承受路面傳遞的機械沖擊，同時也承受路面隨機振動載荷。因而，隨機振動、疲勞和機械沖擊分析是對電池模組設計過程中必不可少的環節之一。本文作者針對某農場電動汽車電池組進行隨機振動分析，計算出各個組成部件的應力、應變和位移結果，為企業設計人員提供一種有效的設計分析方法。

1 隨機振動分析方法

MSC.Nastran是世界上功能全面、性能超群、應用廣泛的大型通用結構有限元分析軟件，被廣泛應用于各個行業的工程仿真分析。MSC.Patran擁有強大的有限元前處理功能，是世界公認的集幾何訪問、有限元建模、分析求解及數據可視化于一體的新一代框架式軟件系統[1]。

2 電池有限元模型分析

2.1 有限元模型的建立

使用CAD設計軟件和有限元前處理軟件MSC.Patran對電池模組CAD幾何模型進行修復和簡化[2-3]。針對電池模組CAD模型組件的特點，采用多種單元混合建模：殼單元、實體單元、梁單元、質量單元等單元類型，劃分網格的基本尺寸為3 mm。最終簡化的幾何模型和有限元模型如圖1所示。

圖1 幾何模型和有限元模型

2.2 載荷參數

載荷參數按照前期試驗測試的輸入載荷進行分析計算，試驗測得電池模組在X、Y、Z方向的PSD功率譜密度如表1所示。

表1 X、Y、Z方向隨機振動PSD功率譜密度

3 隨機振動分析結果

電池模組X方向的隨機振動結果RMS應力云圖如圖2所示。

對電池模組X方向的隨機振動結果各部件采用3-Sigma分析方法進行疲勞壽命預測，結果如表2所示。電池模組在X和Z方向隨機振動下，使用壽命預估為無限壽命，符合要求。

圖2 電池模組有限元梁/殼單元RMS應力云圖

表2 X、Y、Z方向隨機振動疲勞分析預估結果

根據《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統測試規程》：每個方向的測試時間是21 h。在Y方向隨機振動分析中，連接鎳片的使用壽命預估如式(1)計算，計算結果約為55年。

(1)

式中：T為使用年限，y；N為壽命，h；t為測試時間，h。

電池模組在Z方向隨機振動下，使用壽命符合要求。

4 結束語

文中在隨機振動工況下采用3-Sigma法來進行疲勞壽命預測，通過對電池模組X、Y和Z3個方向的隨機振動分析，結果表明其結構滿足隨機振動工況下的強度要求和疲勞壽命要求，計算結果為機構疲勞壽命的評估提供一定的理論支持。但是機構在計算過程中進行了一定的簡化，并考慮到材料的表面處理及其他因素影響，計算結果仍然會存在一定的誤差。若能與試驗相結合，將能夠使結果更加完善、準確。