某純電動汽車電池包系統振動疲勞仿真分析研究

周麗杰

摘 要：為了迎合市場對續駛里程提高的要求，續駛里程超過400公里已成為國內純電動汽車市場的主流，受電池材料和能量密度極限的影響，電池包重量也會相應超過350kg，電池包振動疲勞的挑戰全方位倍增，對電池包系統箱體結構性能要求越來越高，建立適用的電池包系統振動疲勞仿真分析的企業標準，為整車開發性能考核提供依據，降低開發風險和費用。

關鍵詞：純電動汽車;電池包;振動疲勞;企業標準

中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-19-04

Abstract： In order to meet the requirement of the market for increasing driving mileage， driving mileage over 400 kilometers has become the mainstream of the domestic pure electric vehicle market. Due to the influence of battery materials and energy density limit， the weight of battery pack will correspondingly exceed 350 kilograms. The challenge of vibration fatigue of battery pack will be multiplied in all directions. The structural performance of battery pack system is increasingly demanded， and suitable battery pack system will be established. The enterprise standard of vibration fatigue simulation analysis provides a basis for vehicle development performance evaluation and reduces development risk and cost.

Keywords： Battery electric vehicle1; Pack; Vibration fatigue; Enterprise Standard

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-19-04

引言

純電動汽車市場的快速增長，離不開國家政策的支持、消費者消費觀念的轉變以及車企技術的提升。根據公安部交管局官方微信發布數據顯示，截止2018年6月底，國內機動車保有量達3.19億，其中汽車保有量達2.29億輛，新能源汽車保有量達199萬輛，其中純電動汽車162萬輛，占汽車總量比約0.7%。但相應的純電動汽車試驗標準還不夠全面、待完善和更新，各汽車企業都在摸索、研究、制定各自的企業標準。電池包在車輛行駛過程中發生隨機振動，研究隨機振動對電池包的疲勞壽命影響具有重要意義。對整車基于路譜載荷疲勞、電池包系統基于路譜載荷疲勞、電池包系統基于《電動汽車用動力蓄電池安全要求》報批稿功率譜密度載荷疲勞、電池包系統基于GBT 31467.3-2015功率譜密度載荷疲勞等方面展開研究，獲得有效支撐，建立適合電池包系統振動疲勞仿真分析的企業標準。

1 某純電動車電池包系統結構特點

某純電動車電池包上下箱體總成采用輕量化鋁合金電池框架、先進的鏈接工藝（熱熔自攻絲FDS、鋁套管、高強度鉚釘、電螺栓、導熱粘接膠、進出水口密封膠等），總成重量僅70kg。

除24個電池包單體模組外，還將高壓配電盒、電池管理系統主從控板、快充高壓連接器、輸出高壓連接器等部件集成在電池包PACK內。電池包PACK的投影面積約1.8m2，電池模組的投影總面積約占電池包PACK投影面積的78%，電池模組的總重量約占電池包PACK的總重量的80%。

電池包系統左右側各有4個與車身側圍門檻梁的安裝點，安裝點間距在380mm到480mm之間。電池包系統后側有2個與車身后地板中橫梁的安裝點，安裝點間距約600mm。與特斯拉model3等車型相比，電池包前部和中部與車身無安裝點，其Z向振動特性明顯低于XY兩個方向，Z向振動疲勞損傷為主要考察方向。

2 電池包系統振動疲勞對標分析

在電池包開發階段，對電池包內外各組成部分進行精細化建模，確定各組件間的接觸、鏈接方式，建立合理的電池包系統有限元模型，并參考電池包系統模態試驗、振動試驗（參考GBT 31467.3-2015）結果進行對標，提升仿真模型精度。

2.1 電池包系統試驗夾具設計

從電池包夾具對電池包系統的約束性能上，初始設計兩套夾具，夾具1的約束剛度與電池包的車身安裝點剛度相當、夾具2的約束剛度提高多倍，相當于剛性約束。從剛度、模態特性、振動疲勞等方面仿真分析結果對比如表1所示，其中振動疲勞損傷是參照國標GBT 31467.3-2015中的7.1部分 。夾具2的約束剛度較電池包的車身安裝點剛度高4到22倍，振動疲勞損傷3.1E-7，為無限壽命，滿足循環使用要求。另電池包的長度大于1600mm、寬度大于1200mm，對夾具的面板平面度要求較高，要求平面度公差小于0.5mm。采用夾具2設計制作夾具，用于電池包振動疲勞試驗。

2.2 電池包系統模態和振動試驗對標及優化

通過對電池包系統仿真與試驗結果進行對標分析，不僅可以確定電動汽車動力電池包固有頻率、振型、阻尼比等，還可確定較為準確的建模方案，獲得較高的仿真可信度。從集中質量（電池單體的建模簡化為集中質量點，質量點與箱體采用剛性連接）、簡化連接（考慮單體的建模，將電池與箱體的連接關系簡化為剛性）、接觸（考慮部件間的接觸或膠粘）等方面修正模型[1]，與試驗結果對比，仿真對標后Z向一階模態差異0.9%、Z向損傷差異15%，仿真模型精度較高。經對上下箱體結構優化，上箱體與模組安裝支架的安裝點數量由6個增加到8個，一階局部模態從20.4HZ提升到58.1HZ，上箱體損傷從0.85降為7.0E-5，處于振動耐久性安全狀態。

3 電池包系統振動疲勞分析研究

基于以上對標優化后的仿真模型，對整車路譜載荷疲勞、電池包系統路譜載荷疲勞、電池包系統基于《電動汽車用動力蓄電池安全要求》報批稿隨機振動載荷疲勞、電池包系統基于GBT 31467.3-2015中7.1部分隨機振動載荷疲勞等方面展開研究。

3.1 整車強化路載荷靜態疲勞分析研究

整車強化路譜采集試驗場地為中汽中心鹽城汽車試驗場，試驗路面包括T8強化耐久路和T9爬坡區，主要包括比利時路、混凝土補丁路、圓形坑洼路、溝渠路、濺水路、振動路、鋸齒路、正弦坡道、不規則的混凝土路、森林路等路段，強化系數為8。

分析模型包含TRIM狀態白車身和電池包系統，仿真分析電池包及支架系統最大損傷值為1.8E-9，2臺整車結構耐久實車試驗車、1臺整車PAVE試驗車、1臺四立柱臺架試驗車均未出現電池包及支架系統損壞。

3.2 電池包系統路譜載荷疲勞分析研究

分析模型僅為電池包及支架系統加夾具，采用NCODE軟件振動疲勞仿真分析模塊，將路譜采集時域數據轉化為頻域功率譜曲線，用Duty Cycle加載方式實現39個事件按順序分析計算并自動進行結果疊加。仿真分析持續時間與各路譜采集時域數據、循環次數總時間一致，仿真分析獲得電池包及支架系統最大總損傷值為2.1E-10，其中卵石路S蛇形駕駛、井蓋路、比利時Ⅰ、比利時Ⅱ、濺水、振動Ⅱ等路段貢獻較大，占總損傷的95%以上。

3.3 電池包系統2015版國標振動疲勞分析研究

分析模型僅為電池包及支架系統加夾具，采用GBT 31467.3-2015中7.1部分的Z軸PSD值為加載曲線，其隨機振動加速度RMS均方根為1.44G，振動測試持續時間為21小時，仿真分析電池包及支架系統最大損傷值為3.5E-3，明顯高于整車強化路靜態疲勞分析及強化路載荷功率譜曲線振動疲勞分析的電池包損傷。GBT 31467.3-2015中7.1部分參照ECE R100第一階段提案，存在與我國試驗場強化道路實際激勵環境有偏差、采集到的振動載荷相差較大及不可預見的風險等。此載荷電池包系統振動疲勞試驗次數已超過10次，均未發生結構疲勞損壞。

3.4 電池包系統2019版報批稿國標振動疲勞分析研究

《電動汽車用動力蓄電池安全要求》報批稿預計在2020年上半年作為強制性國家標準發布，以代替GB/T31467.3- 2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分：安全性要求與測試方法》。報批稿以交通部北京通縣的結構耐久強化道路為數據采集場地，基于等效損傷理論，通過試驗應力采集驗證、仿真分析與測試時間優化可行性分析等多方面的論證，得到綜合的PSD譜，建立振動試驗與實際道路的關聯。與GB/T 31467.3相比，隨機振動的RMS水平有明顯降低，Z軸加速度RMS由1.44G降為0.64G，每個方向的振動持續時間也從21小時縮短到12小時。報批稿仿真分析電池包及支架系統最大損傷值為8.6E-11，低于整車強化路靜態疲勞分析及強化路載荷功率譜曲線振動疲勞分析的電池包損傷。

3.5 推薦版振動疲勞分析測試條件研究

用電池包底面中心點采集的強化路加速度曲線數據為研究對象，共包含39個路面事件，分別對其進行 RMS均方根計算，RMS均方根大于0.2G的為主要事件，包含比利時路Ⅰ、混凝土補丁路、振動路Ⅲ、圓形坑洼路、30°角路障路、扭曲路-左側、顛簸路、溝渠路、比利時路Ⅱ、濺水路、振動路Ⅱ、繩索路、井蓋路、鋸齒路、正弦坡道、卵石路-10S蛇形駕駛等共16個事件，占總損傷的99.93%?；诖?6個事件，推薦振動疲勞測試條件低頻5-15Hz段功率譜密度PSD為0.017g2/Hz、低頻65-100Hz段功率譜密度PSD為0.002g2/Hz、高頻200Hz段功率譜密度PSD為0.0001g2/Hz，推薦PSD曲線包絡已基本覆蓋主要事件，具有較好的吻合性。

推薦版振動疲勞測試條件RMS均方根值為0.75G，較國標2019報批版高約20%，振動時間保持為12h。仿真分析獲得此載荷電池包及支架系統最大損傷值為1.4E-7，是整車強化路靜態疲勞分析及強化路載荷功率譜曲線振動疲勞分析的電池包損傷的10-100倍，符合通常子系統臺架疲勞試驗測試強度要求。主要事件與國標2015振動載荷、國標2019報批版載荷、推薦版載荷對比如下圖2：

4 總結

經對電池包系統臺架試驗用夾具合理設計、初版電池包系統結構模態、振動疲勞對標、結構優化，得到較高精度的電池包系統仿真分析模型。基于此研究電池包系統5種疲勞分析方法的差異，初步得出：

（1）電池包的長度大于1600mm、寬度大1200mm，對夾具的面板平面度要求較高，要求平面度公差小于0.5mm、夾具的Z向約束剛度較電池包的車身側安裝點剛度高20倍以上，以便夾具可達到重復使用、無線壽命的要求。

（2）電池包系統整車強化路靜載荷疲勞、電池包系統強化路載荷疲勞、電池包系統2019版報批稿振動疲勞仿真分析結果相當。2019版報批稿振動試驗強度低于本企業選定的鹽城汽車試驗場強化道路激勵，建議各新能源企業適當加強。

（3）電池包系統2015版國標振動疲勞分析結果明顯高于其他方案，且統計此標準實施以來的測試結果，此振動試驗通過率僅為50%左右，表明其過于嚴格。