电动汽车动力电池振动疲劳性能优化

电动汽车动力电池振动疲劳性能优化

VibrationFatigue Optimization for Electric Vehicle Power Battery

 

摘  要：基于整车运行工况及动力电池安全相关法规要求，需对动力电池进行振动疲劳性能验证。采用标准振动载荷及疲劳分析软件，可根据流程实现动力电池振动疲劳数值仿真分析。通过分析动力电池模态初步判断振动疲劳风险部件，并为频响分析提供支持；通过频响分析初步判断风险工况，并为振动疲劳提供计算输入；振动疲劳分析发现并验证风险位置，具体寿命及需整改区域。使用Altair软件OptiStruct形貌优化对风险区域进行分析，确认优化方向及优化效果；结合结构特点及实现工艺设计优化风险部件，模态分析验证了形貌优化及设计的正确性。对优化后动力电池频响及振动疲劳性能分析，动力电池振动疲劳满足预设指标，使用形貌优化方法提高动力电池振动疲劳性能是有效的。

关键词：电动汽车，动力电池，振动疲劳，OptiStruct，频响。

Abstract:Power Battery vibration fatigue performance is important to thevehicle, and the safety requirement of Power Battery is set up in manycountries, such as GB/T31467, etc. By using standard vibration load and fatigueanalysis software, the numerical simulation analysis of vibration and fatigueof power battery can be realized according to the process. Through the mode analysiswe can find the dangerous place of the power battery, and it provides supportfor frequency response analysis; frequency response analysis can help us findthe specific working conditions, and it provides input for the calculation ofvibration fatigue; vibration fatigue analysis displays the danger position and designlife. Using the topography optimization method we can get the optimizationdirection and optimization region, then the part can be redesigned, modalanalysis verifies the correctness of the design and morphology optimization. Afteroptimization of the frequency response and vibration fatigue analysis, thedesign life meets the requirement. Morphology optimization method is effective toimprove the vibration fatigue performance of the power battery.

Keys: electricvehicle, power battery, vibration fatigue, Morphology optimization, FrequencyResponse.

 

0 引言

随着越来越严重的能源消耗，环境污染等一系列问题，电动汽车的需求及销售量越来越大。据中汽协数据统计，2016年新能源汽车生产51.7万辆，销售50.7万辆，均实现50%以上的同比增幅。而随着电动汽车的存量增加，电动汽车安全事故明显增多，成为关注热点；据统计， 2016年全球电动汽车发生起火事故35起，其中我国发生安全事故29起，涉及电动车合计40辆；我国电动汽车2016年事故数是2015年（14起）的2倍多，安全性能必须作为电动汽车设计中最重要问题考虑。

动力电池是电动汽车安全相关重要部件，动力电池安全性能是电动汽车安全性能的重中之重[1]。为保证动力电池安全，国内外制定了一系列动力电池相关技术法规；相关技术法规(例如ISO12405-3，IEC 62660，ECE R100.2，SAE J2929，UL 2580，GB/T 31467.3等)，对动力电池振动性能及其试验测试都做出相关规定。

动力电池振动性能法规基于整车应用角度出发，对电池系统因车辆正常行驶所受振动载荷下的安全性能进行考察。对于动力电池振动性能，可采用试验方法进行分析优化[2]，国际上也存在较成熟的数值仿真方法进行模拟分析[3]。由于CAE仿真可以在动力电池样件制造出之前对其振动能否达到要求进行预估计算，近期在国内动力电池设计中作为有效验证手段得到应用[4-5]。

某电动汽车设计开发过程中，其动力电池无法借用成熟资源，需重新开发。动力电池振动性能参考GB/T 31467.3标准进行仿真，分析结果发现电池上箱体存在振动疲劳风险。对风险位置进行分析后，使用形貌优化方法对上箱体进行优化计算，得到上箱体优化方向；参考形貌优化结果对上箱体设计更改后，上箱体第一阶模态频率提高62.1%，振动疲劳性能提高至2e8以上，风险消除。

 

1 理论基础

1.1振动疲劳

1981年Valani利用内时理论推导了结构疲劳寿命与加载频率之间的关系，1993年毛罕平和陈翠英推导了全面反映加载频率影响的裂纹扩展速率公式。随后Dimarogona和他的研究生系统研究了共振条件下结构疲劳裂纹扩展机制[6]，Dentsora和Kouvaritaki系统分析了激励频率对共振条件下聚合物材料疲劳裂纹扩展寿命的影响，Colakoglu推导了疲劳裂纹萌生寿命与结构阻尼变化的关系。而随着计算机仿真分析技术的发展，已有多种CAE软件实现了振动疲劳模块化分析功能。

振动疲劳与一般疲劳在载荷、响应、计算方法等方面存在不同特点，导致振动疲劳寿命分析与一般循环疲劳寿命分析具体步骤上存在巨大不同。振动疲劳分析可分为时域分析法和频域分析法。一个典型的频域分析法结构振动疲劳寿命分析需如图所示步骤完成。

1.2功率谱密度PSD

信号的功率谱密度（power spectral density, PSD）描述了信号的功率如何随频率分布。GB31467中对电池包及动力电池系统的振动载荷使用加速度PSD谱进行定义。振动疲劳分析时可直接输入加速度PSD谱作为振动载荷。

图2 振动载荷PSD谱

 

1.3形貌优化

形貌优化是一种结构优化方法，它通过数值计算方法在板形结构中寻找最优加强筋分布。形貌优化用于设计薄壁结构强化压痕，在减轻结构重量的同时能满足强度、频率等要求。与拓扑优化不同的是，形貌优化不删除材料，而是在可设计区域根据节点的扰动生成加强筋。

形貌优化为形状优化的高级形式，并使用形状变量作为设计变量；形貌优化计算中首先将设计区域划分为各自独立的变量，经过一系列的迭代优化，计算这些变量对结构的影响后，获得对设计目标影响最大的区域，并确定加强筋分布位置。

 

2 电池包振动疲劳分析

2.1输入参数

某电动汽车设计开发过程中，动力电池无法借用现有成熟资源，其振动疲劳性能需重新分析验证，如不满足要求需进行优化分析。本电池箱体采用钣金件设计，电芯采用18650电池并设计为标准模块。经网格处理，赋予材料及厚度等属性后，计算电池总重360.1kg，与原电池估算重量（360kg）相比误差仅0.1kg。

图3 动力电池建模处理

 

2.2模态与频响

约束动力电池与车身连接位置自由度，计算200Hz以下约束模态。电池包200Hz以上共有68阶模态，其中前8阶皆为上盖模态（表1），电池上盖刚度差，模态频率低，是振动疲劳风险区域，需在后续分析中关注。根据模态分析结果对电池进行频响分析，由上盖中心点频响结果，Z向响应远大于X向/Y向响应，动力电池振动疲劳风险为Z向振动时上盖位置。

 

表1动力电池模态分析

阶次	模态频率Hz	模态振型
1	23.26	上盖顶面1阶凹凸
2	31.80	上盖顶面2阶凹凸
3	36.94	上盖顶面3阶凹凸
4	42.07	上盖顶面4阶凹凸
5	48.43	上盖顶面5阶凹凸
6	56.28	上盖顶面6阶凹凸
7	56.40	上盖顶/侧面4阶凹凸
8	65.70	上盖顶面7阶凹凸

图4 电池上盖中心点频响

 

2.3振动疲劳分析

根据动力电池模态、频响分解结果以及标准振动载荷，使用频域法振动疲劳计算，X向振动分析在截止寿命（1e+30）之外，无振动疲劳风险；Y向振动分析最小寿命2.157e+13，无振动疲劳风险；Z向振动分析最小寿命2.748e+4，有一定风险，风险位置为电池上盖。针对电池上盖存在的振动疲劳风险，需进行优化将CAE计算振动疲劳寿命提高到2e+5以上。

 

3 优化分析

3.1优化分析

针对动力电池存在的振动疲劳风险，拟采用形貌优化方法优化电池上盖，以消除该部件振动疲劳现象。将电池包上盖顶面作为设计加筋区域，设置加筋高度等参数和对称布置后，定义优化目标为上盖第一阶模态最大化。电池上盖加筋优化分析结果如图所示，优化后第一阶模态频率增加到39.55Hz，提高53.9%；优化后电池钣金件上盖一阶频率满足经验要求。

 

3.2优化设计及验证

根据动力电池上盖形貌优化结果，考虑到制造工艺问题，电池上盖加17条长200mm宽45mm深3mm长度方向筋，电池上盖内部中间位置加2条宽度方向筋作为模态加强方案。优化后动力电池第一阶模态频率提高为40.07Hz，相比电池原始设计提高72.3%；优化后电池0-200Hz频率范围内共50阶模态，相比原始状态68阶模态频率分布密度降低36%；这些改进都对动力电池振动疲劳性能提升带来有利影响。

 

表2动力电池模态优化分析

阶次	模态频率Hz	模态振型
1	40.07	上盖顶面1阶凹凸
2	41.06	上盖顶面1阶凹凸
3	74.81	上盖顶面4阶凹凸
4	75.22	BDU支架X向一弯
5	76.55	上盖顶面4阶凹凸
6	84.56	上盖顶面复杂振型

 

4 振动疲劳验证

对优化后动力电池进行频响计算，其中心位置单元频响曲线与优化前对比最高降低48dB（23Hz位置），在5-70Hz之间频响幅值均有所降低；由于5-50Hz是实际路面行驶时电池主要承受频率带宽，同时也是国家标准振动疲劳载荷振动幅值较大区域，该区域频响的降低将对动力电池振动疲劳带来有益影响。

根据优化后动力电池频响计算结果，对该电池振动疲劳进行验证计算，最小振动疲劳寿命提高为3.196e+5，相比原始设计提高11.6倍，达到预期2e+5的寿命目标。通过形貌优化方法提高电池模态频率，并提高动力电池整体振动疲劳寿命的方法是有效的。

 

5 结论

动力电池运行坏境及国家标准皆要求对其进行振动疲劳分析，以缩短设计及疲劳验证周期。某电动汽车开发过程中，针对分析中发现Z向振动上盖性能不满足要求的情况，开展优化工作。使用OptiStruct形貌优化方法，获得电池上盖加筋建议，一阶模态频率提高53.9%；经过上盖加17对称长筋和2横筋方法，电池第一阶模态提高72.3%，达到40Hz以上。优化前后频响结果最高提高48dB，并在振动疲劳载荷较大区间（5-50Hz）得到有效降低。优化后电池振动疲劳寿命提高11.6倍，达到预计设定2e+5目标，验证了形貌优化提高电池振动疲劳性能的有效性。

 

6 参考文献：

[1]Kitoh K, Nemoto H. 100 Wh Large size Li-ion batteries and safety tests[J].Journal of Power Sources, 1999, s 81–82(9):887-890.

[2]Hooper J M, Marco J, Chouchelamane G H, et al. Vibration Durability Testing ofNickel Manganese Cobalt Oxide (NMC) Lithium-Ion 18,650 Battery Cells[J].Energies, 2016, 9(1).

[3]Koo J. Effects of Frequency Response Spacing on Vibration Fatigue Analysis[J].Lecture Notes in Electrical Engineering, 2013, 195:253-265.

[4]王文伟, 程雨婷, 姜卫远,等. 电动汽车电池箱结构随机振动疲劳分析[J]. 汽车工程学报, 2016, 6(1):10-14.

WangW, Cheng Y, Jiang W, et al. Random Vibration Fatigue Analysis of ElectricVehicle Battery Box[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering, 2016, 6(1):10-14.

[5]苏阳, 杨涛, 鄂世国,等. 电动车电池包振动疲劳分析[J]. 汽车实用技术, 2016(2):109-110.

SuYang, Yang Tao, E Shiguo, etc. Vibration Fatigue Analysis For Battery Packs OfEV[J]. Automobile Technology, 2016(2):109-110.

[6]DENTSORAS A J,DIMAROUONAS A D. Resonance controlled fatigue crack propagationin a beam under longitudinal vibrations[J].International Journal ofFracture,l983，23(1):1522.

来源：新能源车振动与安全

作者： 雨果cae