不同通風口大小的電池箱有限元振動研究

摘要：根據通風口口徑的不同對4種電動汽車電池箱進行有限元建模分析，研究不同通風口口徑的電池箱的振動模態以及對應的振動頻率、在隨機振動情況下電池箱內出現的最大等效應力值及其發生位置。結果發現，隨著通風口口徑增大，汽車電池箱的前兩階振型將發生變化，第三階振型對應的振動頻率下降，且隨機振動產生的最大等效應力也相應增加。研究結論對汽車電池箱的通風口形狀與位置設計，以及優化振動特性有重要參考意義。

關鍵詞：電池箱；通風口；模態；振動

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-09-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.023

1 前言

近年來，不同于傳統燃油車銷量的逐步下滑，我國新能源汽車的銷量持續大幅增長，逐漸成為我國汽車市場的主流[1]。電池組作為新能源汽車的主要動力來源，是新能源汽車的組成部件中最關鍵的一環，目前新能源汽車電池組主要采用壽命長且能量密度較高的鋰離子電池。與此同時，由于新能源汽車電池組在使用過程中存在受沖擊易起火的特點，需要采用電池箱對電池組進行一定的保護，因此電池箱作為保護性結構，其自身的結構強度以及振動特性便成為其研發的重點。

國內研究者對新能源汽車的振動特性進行過研究。劉超等[2]對某電池箱結構進行了隨機振動分析，得到其結構動態特性，從而對其進行進一步的優化，針對電池箱下方邊角處采用加強筋進行加固，從而大幅度降低了薄弱位置處受到的應力，并且明顯減小了Y軸和Z軸方向上的隨機振動最大應力，大大提高了電池箱結構對抗疲勞破壞的能力。解占新[3]利用ANSYS軟件對豎式和橫式兩種散熱孔形式的電池箱進行了強度、剛度和模態分析，在研究了兩者前五階模態后發現其對應的振型較為相近，同時由于設置橫式散熱孔的電池箱固有頻率區間距離汽車行駛過程中產生的振動頻率區間更遠，能夠更好地避免共振情況的發生。汪金輝等[4]針對新能源汽車在顛簸路面急剎車和急轉彎的兩個工況組合下電池箱的靜強度、靜剛度以及前兩階模態進行分析，發現了電池箱結構上的不足以及潛在的安全問題，并采用Design-Expert進行后續的優化和迭代，使得迭代優化后的電池箱在模型重量大幅減少的情況下，一階模態對應的頻率得到大幅的提升。田天池等[5]針對車載動力電池箱的壁板采用了Workbench軟件進行了模態分析、隨機振動分析與抗疲勞分析，發現隨著振動模態階次的增加，電池箱結構的薄弱點的位置也在發生著變化，并驗證了薄弱處的強度遵循第三強度理論。魯春艷等[6]分析了某型號電池箱在垂向顛簸、顛簸路面急轉彎以及顛簸路面急剎車三種工況下的應力應變情況以及前六階模態振型情況，并以此為依據對該型號電池箱的上蓋、框架厚度、框架擋板折彎處進行了相應的優化，大幅度地提高了電池箱體的強度和剛度以及低階模態對應的頻率。

但在現階段對新能源汽車電池箱振動領域的研究中，極少有學者研究通風口大小對電池箱的振動特性的影響。由于在電池箱結構上打孔會極大影響結構在受擾動情況下的振動頻率和模態形態，因此通風口的大小不能過大。同時，基于輕量化的考慮以及由于電池組在運行過程中需要通風口對外界進行氣體交換以進行散熱，因此通風口的大小不能過小。本研究將基于Ansys Workbench平臺研究通風口大小對新能源車電池箱振動特性的影響。

2 電池箱的設計與建模

2.1 電池箱模型設計

選取某型號電動汽車電池箱為研究對象，該型號電池箱的材料為結構鋼，其主體部分為長方體狀電池箱結構，該箱體結構長度為1 050 mm，寬度為500 mm，高度為300 mm，壁厚為5.0 mm，且箱體寬邊的上緣部分進行了相應加厚以增加結構強度。電池箱的兩個長邊上緣部分各焊接有3個吊環結構，吊環結構通過螺釘與電動汽車車身連接，從而將電池箱體安裝在電動汽車上。其中電池箱體的寬邊沿電動汽車車長方向，長邊沿電動汽車車寬方向布置。電池箱上方設置有蓋體結構，但由于蓋體結構不參與電池箱的受力，因此在后續振動分析中忽略蓋體結構對電池箱體產生的影響。

電池箱的寬邊側壁各均勻開設有4個圓形通風口，長邊側壁各均勻開設有8個圓形通風口。根據通風口口徑大小，本文設置有通風口半徑為30 mm的小口徑箱體、通風口半徑為40 mm的中口徑箱體以及通風口半徑為50 mm的大口徑箱體，并設置了一組無通風口的箱體進行比較以研究通風口對于電池箱振動特性的影響。其中無通風口箱體的總重為59.2 kg，小口箱體的總重為57.2 kg，中口箱體的總重為55.2 kg，大口箱體的總重為52.5 kg。

2.2 電池箱有限元模型設計

在Solidworks軟件中建立4組電池箱的實體模型，并將其導入Ansys Workbench平臺中的Modal模塊建立有限元模型并進行處理。電池箱結構設置為結構鋼，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。網格類型設置為四面體網格并對電池箱結構進行劃分，劃分后的有限元模型如圖1所示。其中無通風口箱體具有68 696個單元與138 753個節點，小口電池箱共有68 988個單元和141 160個節點，中口電池箱共有66 543個單元和135 280個節點，大口電池箱共有63 735個單元和130 852個節點。

3 仿真結果與分析

3.1 電池箱模型模態分析

由于電動汽車在行駛的過程中由于路面不平整等因素將不可避免地產生振動激勵，其中占主體部分的是由路面不平整產生的振動激勵，其頻率一般小于21 Hz[3]，因此需要保證電池箱的各階振動頻率在21 Hz以上才能避免其受到外界激勵的影響發生共振，損壞電池箱與內部的電池。在Ansys workbench中對電池箱體的吊環結構內孔進行固定約束后，對箱體進行自由模態分析。

如圖2～圖7所示，對比無通風口電池箱和大口電池箱的前三階振型可知，無通風口電池箱的一階振型最大振動幅度發生的位置在箱體上緣的4個角處，而大口電池箱的一階振型最大振動幅度發生的位置在箱體底板中心處。無通風口電池箱的二階振型最大振動幅度發生的位置在箱體底板中心處，而大口電池箱的二階振型最大振動幅度發生的位置在箱體上緣的4個角處。無通風口電池箱和大口電池箱的三階振型的最大振動幅度發生的位置都在箱體底板兩側。由此可知，通風口將影響電池箱的前兩階振型，這可能是由于無通風口電池箱的二階振型最大振動位置在箱體底板中部，其振動的剛度主要由底板和側壁提供，在側壁上開設的通風口將削弱側壁的剛度，從而快速降低該振型的振動頻率，當其振動頻率小于最大振動幅度發生的位置在箱體上緣的4個角處的振型時，其在大口電池箱的模態中即成為了一階模態。

無通風口電池箱的前三階振動頻率為91.12 Hz、97 Hz和131.42 Hz，小口電池箱的前三階振動頻率為91.78 Hz、94.12 Hz和128.92 Hz，中口電池箱的前三階振動頻率為91.81 Hz、92.22 Hz和126.98 Hz，大口電池箱的前三階振動頻率為88.77 Hz、92.6 Hz和124.33 Hz。4組電池箱的各階模態對應的振動頻率均高于21 Hz，因此在該電池箱上設置通風口后，電池箱的自振頻率依然處于安全區間。同時，通風口對電池箱結構的第三階振型的頻率影響較為明顯，由于三階振型最大振動位置在箱體底板處兩側，其振動的剛度主要由底板和側壁提供，隨著電池箱通風口口徑的增大，箱體結構的4個側壁的剛度隨之下降，從而降低了第三階振型的振動頻率。

3.2 電池箱隨機振動分析

電動汽車行駛時，由于道路不平整或是其他外部因素激勵，電池箱結構將產生非規則的振動應力。振動應力有可能對電池箱的結構造成累積性的疲勞損傷，進而威脅到電池組的安全運行以及整車性能的穩定。因此使用隨機振動分析技術能預測電池箱在復雜振動條件下的等效應力進而進行評估電池箱的疲勞壽命，從而提高電池箱可靠性。基于模態分析結果，在Ansys Workbench平臺的Random Vibration模塊中使用豎直方向的加速度功率譜密度對各型號電池箱作隨機振動仿真，各頻率對應的功率譜密度如表1所示。

豎直方向的隨機振動分析結果如圖8～圖11所示，從等效應力云圖可以看出，無通風口電池箱受到的最大等效應力出現在長邊底部中間，其1σ、2σ和3σ對應的最大等效應力分別為13.32 MPa、26.63 MPa和39.94 MPa。小口電池箱受到的最大等效應力出現在長邊下方圓口下側，其1σ、2σ和3σ對應的最大等效應力分別為17.52 MPa、35.05 MPa、52.58 MPa。中口電池箱受到的最大等效應力出現在長邊下方圓口下側，其1σ、2σ和3σ對應的最大等效應力分別為19.63 MPa、39.27 MPa、58.9 MPa。大口電池箱受到的最大等效應力出現在長邊下方圓口下側，其1σ、2σ和3σ對應的最大等效應力分別為22.19 MPa、44.39 MPa、66.58 MPa。電池箱受到的最大等效應力小于結構鋼材料的屈服應力235 MPa，因此在該電池箱上設置通風口后，電池箱強度依然能夠承受相應范圍的隨機振動產生的最大等效應力。

同時，由于圓口將產生一定的應力集中效應，在電池箱上打通風口將使得最大等效應力發生位置從長邊底部中間轉移到長邊下方圓口下側，且隨著圓口直徑的增加，最大等效應力的數值也相應大幅增加，其中大口電池箱3σ對應的最大等效應力是無通風口電池箱的1.67倍，因此在設計通風口時需要對長邊下方的圓口周邊進行一定的加固，從而避免該區域的材料因隨機振動的影響而發生屈服或是疲勞損傷，從而降低電池箱整體的結構強度。

4 結語

通過Ansys Workbench軟件對某型號電動車電池箱對應的4組不同通風口口徑的模態分析與隨機振動分析可知，隨著通風口口徑的增加，電池箱的前兩階模態的振型將因此發生改變，并明顯降低第三階振型對應的振動頻率。同時，在受到隨機振動的情況下，在電池箱上開設的通風口將因為應力集中效應從而使得最大等效應力發生位置從長邊底部中間轉移到長邊下方圓口下側，且隨著圓口直徑的增加，最大等效應力的數值也相應大幅增加。因此在后續設計通風口時應當對長邊下方的圓口周邊進行一定的加固，以避免隨機振動對箱體結構造成的損壞。

參考文獻：

[1]張永勤.新能源汽車發展制約因素分析[J].汽車實用技術，2024，49（12）：6-10.

[2]劉超，陳肖媛.基于有限元分析法的電動汽車電池箱隨機振動分析及優化[J].汽車實用技術，2023，48（22）：38-42.

[3]解占新.散熱孔不同排列方式的電池箱有限元模態分析[J].機械工程與自動化，2022（1）：69-71.

[4]汪金輝，趙曉昱.電池箱的動靜態特性研究與優化設計[J].智能計算機與應用，2022，12（12）：133-137.

[5]田天池，張洪信，韓明軒.車載動力電池箱壁板抗振疲勞分析[J].青島大學學報（工程技術版），2022，37（4）：61-67.

[6]魯春艷，田菲，萬長東.動力電池箱的形貌優化及尺寸優化設計[J].機電工程技術，2022，51（1）：25-28+49.

作者簡介：

江錦鑫，男，1994年生，助教，研究方向為新能源汽車。