保溫棉對動力電池包上蓋振動響應影響仿真研究

丁志友 高超 田艷妮

摘要：本文利用有限元仿真前處理軟件Hypermesh進行了動力電池包的建模，并進行了線性動力學隨機振動分析求解，計算得出有保溫棉電池包與沒有保溫棉電池包相比，上蓋振動響應降低約10%。通過振動臺臺架試驗，驗證了電池包有保溫棉和沒有保溫棉的情況下，上蓋監測點振動響應降低約7.1%。仿真結果與試驗數據較為吻合，可對電池包上蓋緩振設計提供設計參考。

Abstract： In this paper， the FEM simulation software HyperMesh was used to model the battery pack， and the random vibration analysis was solved. It is calculated that the vibration response of the cover of the battery pack with insulation cotton is reduced by about 10% compared with that of the battery pack without insulation cotton in the random vibration analysis process. Through the vibration test， it is verified that the vibration response of the monitoring point on the cover decreases by 7.1% under the condition of the battery with or without the insulation cotton. Comparing test with the simulation the results were in good agreement. The simulation results are in good agreement with the experimental data， which can provide reference for the isolation-buffer design of the battery pack cover vibration.

關鍵詞：保溫棉;動力電池包;振動響應;仿真

Key words： the thermal insulation cotton;battery pack;vibration response;simulation

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0031-03

0? 引言

在全球能源危機的不斷加深和石油資源的日趨枯竭的今天，各國政府及汽車企業普遍認識到節能減排是未來汽車技術發展的重要方向[1]。純電動汽車中最重要的核心部件是動力電池包，由于其“體積大、重量大”[2]，電池包布置在前后地板下方較為可行[3]，并通過螺栓等連接方式連接在底盤上。

車輛在行駛中路面的激勵可能導致上蓋出現振動響應，進而拍擊車身地板，發出異響。目前一個較為常見的方法為在電池包內部，上蓋和模組之間增加一層保溫棉。

保溫棉是一個雙面無紡布、中部填充PP或者其他材料的柔軟結構，被廣泛用在需要隔熱保溫的場景中。也因其具有一定的彈性可以在一定程度上降低上蓋的振動響應被應用在動力電池中。但是長久以來，工程設計對保溫棉厚度、硬度等參數的設計主要依靠經驗，對緩振效果缺乏定量的分析。通過仿真手段可以對有保溫棉的電池包上蓋和沒有保溫棉的電池包上蓋（以下簡稱有保溫棉和無保溫棉，不再贅述）進行隨機振動工況下的振動位移響應分析，定量研究其對上蓋振幅的影響，并用試驗驗證其準確性，對后續工程精細化設計提供一個思路。

1? 數值方法

我國在2020年5月發布了《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，其中對于動力電池包的耐振性能提出了新的要求[4]。與老標準對比，采用了與我國道路更匹配的PSD振動譜。經過試驗，整車實際路譜采集PSD譜線與該標準譜線非常接近，所以采用該標準譜作為整車上路行駛時，電池包的實際工況進行分析。

保溫棉對上蓋振動響應的影響主要集中在Z向振動工況，所以結合該標準要求，適當考慮整車質保年限及里程要求，在該標準基礎上，進一步提高量級至國標的1.5倍進行計算。振動計算僅考慮Z向隨機振動工況，在Hypermesh軟件中進行動力電池包的整包建模分析和求解。

隨機振動分析中的功率譜密度是一種基于概率的統計方法，因為隨機振動分析中，連續的瞬態響應只能用概率方法表述，即某響應出現的概率情況。國標規定的功率譜密度即PSD曲線就是激勵和響應的方差與頻率的關系[5]。

在汽車領域實際操作中經常采用實測路譜的方法進行功率譜密度的生成。即首先記錄下某參數的時間歷程xk（t）稱之為樣本函數，進行n次試驗構成一個集合，于是在任意時刻t1每個樣本均有一個不一樣的值，它們共同構成一個隨機變量X（t1）[6]。于是將自相關函數定義為：

其中，E表示隨機變量的均值。一般假設隨機過程為平穩過程，即函數與采樣時間t1無關，那么自相關函數又可以寫為：

計算式（2）自相關函數Rx（？子）的傅里葉變換對，得到：

式（3）中Sx（？棕）可視為均方值在頻域內的分布密度，稱為隨機過程X（t）的功率譜密度，簡稱自譜[7]。令？子=0，由式（4）可得，自相關函數Rx（0）稱為隨機過程的均方值（Mean Square），均方值可視為平均能量或功率的一種測度，其公式為：

有限元計算中得出的RMS值（Root Mean Square即均方根值），公式為：

電池包上蓋振動響應的均方根值可以認為是有效值，在實際應用中求解關心頻率范圍內功率譜密度的均方根值可以獲取振動能量強弱[8]。具體到工程設計中，均方根值可以為機械結構的強度分析和振動試驗相關參數提供設計依據[9]。本文采用電池包上蓋若干參考點的隨機振動位移均方根值作為定量分析電池包上蓋振動位移響應的指標。

2? 仿真分析

2.1 計算方法

利用仿真前處理軟件HyperMesh建立電池包的仿真模型，該軟件對復雜結構劃分網格具有一定的優勢[10]。本文中涉及的電池包由托盤、上蓋、支架和工裝組成，其中工裝為PSOLID類型，其他單元類型為PSHELL類型，內部一些局部支架采用PSOLID單元，縫焊為RBE2單元，點焊為ACM單元建模。模組和電芯內部結構較為復雜，一般采用實體單元模擬建模，通過前期試驗對標確認其結構性能參數。

根據電池包內模組上蓋板與電池包上蓋之間的間隙距離，選擇4mm厚度保溫棉進行分析。在上蓋造型的加強筋的局部區域，包內模組上蓋板和整包上蓋之間的距離為3.785mm，保溫棉被局部壓縮（最大壓縮量為0.2mm）。由于保溫棉非常柔軟，壓縮量較小的情況下采用均一性假設模擬，即采用各向同性材料，等彈性模量近似假設其結構性能，計算其相對變化量估計其性能提升。電池包內的材料參數見表1。

在隨機振動計算中，為了獲得上蓋的振動響應，在上蓋上選擇若干參考點，提取其振動位移響應的RMS數值，參考點的位置見圖1所示。

將工裝所有螺栓孔約束1-6自由度，模擬工裝通過螺栓孔固定在振動臺的情況。在工裝上加載國標1.5倍PSD譜，提交隨機振動計算，輸出上蓋參考點振動位移響應。

2.2 仿真結果及分析

通過仿真計算，輸出5-200Hz頻率段內，每個參考點位移-頻率RMS曲線（累積）曲線。中部參考點響應最為明顯，其中最大響應的位置位于電池包上蓋后部中間位置。兩側的參考點與激勵參考點響應相差較小。

根據圖2 a）和2 b）中激勵參考點位移RMS值曲線最大值均為2.39mm，即有無保溫棉電池包上加載的激勵是一致的。圖2 b）中有保溫棉上蓋最大響應參考點的位移RMS值為2.51mm，圖2a）中沒有保溫棉上蓋最大響應參考點則為3.18mm。即增加的保溫棉結構有效的降低了上蓋參考點的最大振動響應。

RMS累積曲線的斜率在低頻時較大，隨著頻率增加斜率迅速趨于0。該曲線說明在低頻時電池包參考點的響應較大，在高頻時響應較小。

如圖3所示有保溫棉的監測點位移在低頻區域最大位移1.57mm;無保溫棉的監測點位移在低頻區域最大位移1.69mm。根據計算，可以認為其上蓋位移降低約7%。

2.3 試驗驗證

將有保溫棉和無保溫棉的兩個方案的電池包分別進行振動臺架測試，通過工裝將其固定在振動臺上。如圖4所示。

試驗測量中無法對所有參考點進行監控，綜合工裝與傳感器極限位置情況，調節激光傳感器至兩側位置，定義兩個試驗監測點如圖5所示。分別進行有保溫棉和無保溫棉情況下的短時間隨機振動并采集監測點的位移響應，記錄數據。

為了進一步分析，剔除異常的數據點，對試驗數據進行分析可以發現，無論有無保溫棉上蓋，監測點的振動位移響應分布均呈現類似正態分布的情況。根據試驗數據可以使用正態分布函數擬合出兩個位置兩種方案概率密度曲線，并經過計算得到每個監測點在有無保溫棉情況下的分布標準差值，見表2所示。由于正態分布均值為0，其標準差可認為與RMS值相等。

受制于試驗設備，試驗監測點和仿真參考點的位置存在差異。為了定量分析保溫棉對上蓋振動響應的影響，考慮監測點附近仿真參考點區間，計算有保溫棉上蓋兩個監測點與無保溫棉上蓋對應點位的相對差值進行分析。

分析表2中的數據簡單計算可以了解到其上蓋振幅降低約6.6%和7.5%，其均值7.1%，結果見表3所示。

3? 結論

通過計算機仿真手段建立保溫棉和電池包的有限元模型，定量研究了隨機振動工況中，保溫棉對上蓋振動位移響應的影響，并通過試驗進行了驗證。仿真計算的結果表明保溫棉可以降低約7%的上蓋振動響應，而試驗結果為7.1%，與仿真計算的結果較吻合。本文通過仿真方法定量衡量保溫棉對動力電池包上蓋振幅響應影響，對電池包的結構設計提供設計依據。

參考文獻：

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