基于OptiStruct的儲(chǔ)能電池包運(yùn)輸條件下的結(jié)構(gòu)安全分析與優(yōu)化*

白聰兒，汪小芳，黃文強(qiáng)，彭憲州，劉 勇

（1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，杭州 310012；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012）

0 引言

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是未來電力系統(tǒng)中提升新能源發(fā)電接入和消納能力的重要資源[1]，近年來，隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，相關(guān)技術(shù)得到廣泛關(guān)注與飛速發(fā)展。電池包作為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本集成單元，是一個(gè)機(jī)械場(chǎng)-電場(chǎng)-熱場(chǎng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[2]，其結(jié)構(gòu)安全性同時(shí)影響著多個(gè)物理系統(tǒng)的可靠性。儲(chǔ)能電池包在應(yīng)用過程中無需移動(dòng)，幾乎不承受外部載荷，因此，電池包的運(yùn)輸過程成為結(jié)構(gòu)安全性分析關(guān)注的重點(diǎn)。評(píng)估電池包在振動(dòng)、沖擊條件下的力學(xué)響應(yīng)特性并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)電池包乃至電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要的意義。

現(xiàn)有研究中，針對(duì)儲(chǔ)能電池包在運(yùn)輸條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析相對(duì)較少，車用動(dòng)力電池包由于具有相近的機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)行工況，能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供參考。目前，針對(duì)電池包結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：模態(tài)分析，隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，沖擊、擠壓、跌落、碰撞等工況分析與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上研究中載荷條件通常基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]或企業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究方法差異主要來源于模型的精細(xì)化程度，更具體地，在于電池及連接結(jié)構(gòu)的建模方法。多數(shù)研究將電池單體或電池模組簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)，卞燁峰等[4]、Kim 等[5]采用質(zhì)量點(diǎn)或剛體模擬電池，對(duì)電池包進(jìn)行了沖擊工況與隨機(jī)振動(dòng)分析；程必良[6]簡(jiǎn)化了電池之間的連接結(jié)構(gòu)，采用均一化方法對(duì)電池模組進(jìn)行實(shí)體單元建模，并開展了電池包結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化工作。上述研究關(guān)注的重點(diǎn)大多是電池包箱體及其安裝結(jié)構(gòu)，為模擬電池包內(nèi)部各部件之間力的傳遞關(guān)系，一些學(xué)者對(duì)電池及其連接部位進(jìn)行了精細(xì)化建模。劉成武等[7]、歐陽(yáng)金華[8]、黃培鑫等[9]、蘭鳳崇等[10]將電池簡(jiǎn)化為均質(zhì)實(shí)體，采用實(shí)體單元對(duì)電池建模并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)；劉家員[11]建立了新能源車動(dòng)力電池包精細(xì)化有限元模型，采用動(dòng)力學(xué)方法開展了擠壓、跌落、沖擊、碰撞等分析；蘭鳳崇等[2]的研究表明考慮電池等效力學(xué)參數(shù)和接觸條件的模型準(zhǔn)確度更高。這些研究為電池包的結(jié)構(gòu)安全性分析提供了有益的參考，然而，由于車用動(dòng)力電池包與儲(chǔ)能電池包在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、安裝邊界等方面存在差異，結(jié)構(gòu)仿真時(shí)需要關(guān)注的工況與危險(xiǎn)部位有所不同；此外，現(xiàn)有研究中模態(tài)分析對(duì)象通常是箱體等結(jié)構(gòu)件，尤其是測(cè)試中幾乎不考慮電池模組振型，難以對(duì)模型形成有效的驗(yàn)證。

為更加全面地探索儲(chǔ)能電池包在運(yùn)輸條件下結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性，本文建立了包含電池單體及其連接結(jié)構(gòu)的電池包精細(xì)化有限元模型，針對(duì)運(yùn)輸工況條件開展了模態(tài)與極限工況下的強(qiáng)度分析，進(jìn)一步進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 電池包有限元模型

1.1 電池包結(jié)構(gòu)

某型儲(chǔ)能電池包結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由下箱體、電芯、散熱間隔板、鋁巴、端蓋、端板組件等部件裝配而成。11 塊電芯串聯(lián)成一個(gè)電池模組，在電極處通過鋁巴連接，電芯側(cè)面布置散熱間隔板，與電芯通過膠粘連接；一個(gè)電池包含兩個(gè)電池模組，模組之間串聯(lián)，兩端固定在端蓋上；下箱體組件中含多個(gè)加強(qiáng)板，通過點(diǎn)焊與焊縫固定在箱體上；模組布置在下箱體組件上，在電芯底部通過膠粘連接；端板與下箱體組件采用點(diǎn)焊固定，端板、端蓋、下箱體組件在垂向通過螺栓固定；支撐框架為電池包運(yùn)輸工裝，布置在下箱體兩側(cè)。

1.2 有限元模型

1.2.1 整體網(wǎng)格模型

圖2 電池包有限元模型

電池包有限元模型如圖2 所示，定義x、y、z方向分別為橫向、縱向、垂向。對(duì)不同部件分別采用實(shí)體單元或殼單元建模，共包含2 300 054 個(gè)單元。主要部件單元類型與材料屬性如表1 所示，其中電芯簡(jiǎn)化為均質(zhì)實(shí)體，采用六面體單元建模，等效彈性模量來源于參考文獻(xiàn)[2]，等效密度根據(jù)單個(gè)電芯質(zhì)量與體積計(jì)算獲得。

表1 單元類型與材料屬性

1.2.2 連接與接觸建模

根據(jù)各部件實(shí)際裝配和連接關(guān)系建立連接與接觸模型。對(duì)點(diǎn)焊、膠粘、焊縫結(jié)構(gòu)，在焊接與膠粘位置生成實(shí)體單元，然后通過RBE2、RBE3 單元與被連接件相連。其中焊點(diǎn)實(shí)體單元直徑與實(shí)際尺寸一致。各連接結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。

圖3 連接模型

電芯與端蓋、螺栓頭與端板、端蓋、下箱體之間建立綁定接觸；下箱體底部與支撐框架之間建立摩擦接觸；對(duì)涉及殼單元的接觸，在定義接觸屬性時(shí)考慮殼單元厚度。

1.2.3 邊界條件

如圖2和圖4所示，根據(jù)電池包在運(yùn)輸過程中的實(shí)際邊界條件，約束端板4處、支撐框架4處節(jié)點(diǎn)的6個(gè)方向自由度。

圖4 模型約束位置

2 模態(tài)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

通過開展模態(tài)分析與掃頻試驗(yàn)，研究電池包振動(dòng)特性，并驗(yàn)證建模與參數(shù)設(shè)置合理性。

2.1 模態(tài)分析

基于OptiStruct 軟件，采用Lanczos 法開展模態(tài)分析，前3階固有頻率與模態(tài)振型如表2所示。由表可知，電池包前3 階模態(tài)主要為電池模組振動(dòng)，振型分別為模組橫向、垂向與扭轉(zhuǎn)，其中第一階模態(tài)固有頻率為15.3 Hz。

表2 電池包前3階固有頻率

2.2 掃頻試驗(yàn)

在振動(dòng)臺(tái)上開展掃頻試驗(yàn)，電池包安裝結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，與實(shí)際運(yùn)輸條件一致；根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果，將3 個(gè)加速度傳感器分別布置在一個(gè)電池模組中部?jī)?nèi)、外側(cè)和尾端，如圖5（b）所示。在10～200 Hz 范圍內(nèi)，分別對(duì)橫向、縱向、垂向進(jìn)行對(duì)數(shù)掃頻，通過測(cè)試加速度峰值獲取電池包共振頻率。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

通過掃頻試驗(yàn)得到的各向共振頻率如表3 所示，由表可知，橫向、縱向測(cè)試頻率接近1、3 階仿真頻率，垂向測(cè)試頻率接近2、3 階仿真頻率，測(cè)試結(jié)果與模態(tài)振型匹配，各階頻率偏差不超過10%。試驗(yàn)結(jié)果表明建模方法與輸入?yún)?shù)取值合理。

表3 電池包各向共振頻率

車輛為低頻結(jié)構(gòu)，所關(guān)心的頻率范圍為20 Hz 以內(nèi)[12]，根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，乘用車的一般固有頻率為15～20 Hz，為避免電池包在運(yùn)輸過程中發(fā)生共振，按照工程經(jīng)驗(yàn)，電池包固有頻率應(yīng)高于20 Hz 且避開10%，即22 Hz。因此，有必要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足固有頻率設(shè)計(jì)要求。

3 極限工況分析

針對(duì)運(yùn)輸過程中的上下顛簸、急剎車和急轉(zhuǎn)彎3 種極限工況條件，對(duì)電池包進(jìn)行強(qiáng)度分析。

3.1 模型加載

基于OptiStruct軟件，采用靜力學(xué)分析方法，分別對(duì)3個(gè)方向施加加速度場(chǎng)，將加速度慣性力的最大幅值作為靜態(tài)載荷加載于結(jié)構(gòu)上，模擬沖擊過程[13]。根據(jù)行業(yè)文獻(xiàn)資料與企業(yè)經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)，各方向極限加速度如表4所示。

表4 各方向極限加速度

3.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

以急轉(zhuǎn)彎工況（x=2g）為例，電池包位移云圖如圖6所示，圖7給出電池包各主要部件強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。由圖可知，鋁巴、散熱間隔板、端蓋、膠粘結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較小，而下箱體組件、端板應(yīng)力遠(yuǎn)超材料強(qiáng)度極限。

圖6 電池包位移云圖（工況：x=2g）

圖7 各部件強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果（工況：x=2g）

結(jié)合圖6與圖7可知，運(yùn)輸過程中電池包在前端（+y）通過端板與支撐框架固定，存在位移約束，而尾端無限位結(jié)構(gòu)，在加速度場(chǎng)作用下將出現(xiàn)尾部大位移，使得端板與下箱體連接部位應(yīng)力過大。

極限工況其余方向計(jì)算結(jié)果與急轉(zhuǎn)彎工況相近，本文不作具體展示。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，有必要對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足極限工況強(qiáng)度要求。

4 電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析結(jié)果，對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：將端板上方兩側(cè)翻邊補(bǔ)充完整，增加承載材料體積，去除拐角應(yīng)力集中區(qū)域；去除端板幾字形加強(qiáng)板，改為固定區(qū)域附近的平面補(bǔ)強(qiáng)板；在支撐框架尾部增加限位結(jié)構(gòu)，其中橫向、縱向設(shè)計(jì)頂絲結(jié)構(gòu)，垂向安裝與下箱體的連接螺栓，在模型中以螺栓截面位置的綁定接觸代替。電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖如圖8所示。

圖8 電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)優(yōu)化后的電池包進(jìn)行模態(tài)分析與6 個(gè)極限工況分析，前3 階模態(tài)頻率與各部件極限應(yīng)力分別如表5～6 所示。端板和下箱體組件極限應(yīng)力云圖如圖9所示。

表5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)前3階固有頻率

表6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)極限工況強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖9 極限應(yīng)力云圖

由表5 可知，電池包前3 階固有頻率增大，其中第1階固有頻率提高到23.4 Hz，滿足工程設(shè)計(jì)要求。由表6與圖9 可知，端板組件和下箱體組件應(yīng)力分布明顯改善，端板與下箱體組件的極限應(yīng)力大幅下降，分別為247.9 MPa 與321.2 MPa，出現(xiàn)在y=2g和z=-3g工況，低于材料抗拉強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

5 結(jié)束語

本文基于OptiStruct建立了儲(chǔ)能電池包精細(xì)化有限元模型，針對(duì)運(yùn)輸條件開展了模態(tài)與極限工況分析，并進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究結(jié)果如下。

（1）電池包前3 階模態(tài)主要為電池模組振動(dòng)，振型分別為模組橫向、垂向與扭轉(zhuǎn)；掃頻測(cè)試結(jié)果與模態(tài)振型匹配，各階頻率偏差不超過10%，表明建模方法與輸入?yún)?shù)取值合理。

（2）極限工況下，電池包應(yīng)力集中主要在端板與下箱體連接部位，其余部件應(yīng)力水平較低。

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)后，電池包前3 階固有頻率提高，應(yīng)力大幅下降，滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。優(yōu)化方法對(duì)儲(chǔ)能電池包在運(yùn)輸條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

本文所采用的分析和優(yōu)化方法對(duì)儲(chǔ)能電池包在運(yùn)輸條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，后續(xù)可開展電池包在輕量化設(shè)計(jì)方面的研究。