現代社會生活對資源的依賴越來越強，幾乎任何活動都離不開資源。隨著越來越嚴重的能源消耗，環境污染等一系列問題，全球各國積極開發應用新能源，電動汽車的需求及銷售量也越來越大。而隨著電動汽車的存量增加，電動汽車安全事故明顯增多，安全性能的考慮已成為電動汽車設計的核心問題。

動力電池是電動汽車安全相關重要部件，動力電池安全性能是電動汽車安全性能的重中之重。 為保證動力電池安全，國內外制定了一系列動力電池相關技術法規； 相關技術法規(例如 ISO12405-3， IEC 62660， ECE R100.2， SAE J2929， UL 2580， GB/T 31467.3等)， 對動力電池振動性能及其試驗測試都做出相關規定。應用CAE仿真技術可以在動力電池樣件制造出之前對其振動能否達到要求進行預估計算，并幫助提高動力電池振動疲勞性能。

電池包振動疲勞分析 

輸入參數 

某電動汽車電池箱體采用鈑金件設計，電芯采用18650電池并設計為標準模塊。 經網格處理，賦予材料及厚度等屬性后， 計算電池總重 360.1kg，與原電池估算重量（360kg）相比誤差僅 0.1kg。

（動力電池建模處理）

模態與頻響

約束動力電池與車身連接位置自由度，計算 200Hz 以下約束模態。電池包 200Hz 以上共有 68 階模態，其中前 8 階皆為上蓋模態（表 1） ，電池上蓋剛度差，模態頻率低，是振動疲勞風險區域，需在后續分析中關注。 根據模態分析結果對電池進行頻響分析， 由上蓋中心點頻響結果， Z 向響應遠大于 X 向/Y 向響應，動力電池振動疲勞風險為 Z 向振動時上蓋位置。

表 1 ：動力電池模態分析
階次	模態頻率 Hz	模態振型
1	23.26	上蓋頂面 1 階凹凸
2	31.80	上蓋頂面 2 階凹凸
3	36.94	上蓋頂面 3 階凹凸
4	42.07	上蓋頂面 4 階凹凸
5	48.43	上蓋頂面 5 階凹凸
6	56.28	上蓋頂面 6 階凹凸
7	56.40	上蓋頂/側面 4 階凹凸
8	65.70	上蓋頂面 7 階凹凸

（電池上蓋中心點頻響）

振動疲勞分析

根據動力電池模態、頻響分解結果以及標準振動載荷，使用頻域法振動疲勞計算， X 向振動分析在截止壽命（1e+30）之外，無振動疲勞風險； Y 向振動分析最小壽命2.157e+13，無振動疲勞風險； Z 向振動分析最小壽命 2.748e+4，有一定風險，風險位置為電池上蓋。針對電池上蓋的振動疲勞風險，需進行優化將 CAE 計算振動疲勞壽命提高到 2e+5 以上。

（動力電池振動疲勞 ）

優化分析

針對動力電池存在的振動疲勞風險，擬采用形貌優化方法優化電池上蓋，以消除該部件振動疲勞現象。 將電池包上蓋頂面作為設計加筋區域， 設置加筋高度等參數和對稱布置后，定義優化目標為上蓋第一階模態最大化。電池上蓋加筋優化分析結果如圖所示，優化后第一階模態頻率增加到 39.55Hz，提高 53.9%；優化后電池鈑金件上蓋一階頻率滿足經驗要求。

（電池上蓋形貌優化結果 ）

優化設計及驗證

根據動力電池上蓋形貌優化結果，考慮到制造工藝問題，電池上蓋加 17 條長200mm寬45mm 深 3mm 長度方向筋，電池上蓋內部中間位置加 2 條寬度方向筋作為模態加強方案。優化后動力電池第一階模態頻率提高為 40.07Hz，相比電池原始設計提高 72.3%；優化后電池 0-200Hz 頻率范圍內共 50 階模態，相比原始狀態 68 階模態頻率分布密度降低 36%；這些改進都對動力電池振動疲勞性能提升帶來有利影響。

（加筋優化及模態驗證 ）

表 2 動力電池模態優化分析
階次	模態頻率 Hz	模態振型
1	40.07	上蓋頂面 1 階凹凸
2	41.06	上蓋頂面 1 階凹凸
3	74.81	上蓋頂面 4 階凹凸
4	75.22	BDU 支架 X 向一彎
5	76.55	上蓋頂面 4 階凹凸
6	84.56	上蓋頂面復雜振型

振動疲勞驗證

對優化后動力電池進行頻響計算，其中心位置單元頻響曲線與優化前對比最高降低48dB（23Hz 位置），在 5-70Hz 之間頻響幅值均有所降低；由于 5-50Hz 是實際路面行駛時電池主要承受頻率帶寬，同時也是國家標準振動疲勞載荷振動幅值較大區域，該區域頻響的降低將對動力電池振動疲勞帶來有益影響。

根據優化后動力電池頻響計算結果，對該電池振動疲勞進行驗證計算，最小振動疲勞壽命提高為 3.196e+5，相比原始設計提高 11.6 倍，達到預期 2e+5 的壽命目標。通過形貌優化方法提高電池模態頻率，并提高動力電池整體振動疲勞壽命的方法是有效的。

（頻響及振動疲勞驗證 ）

結論

針對分析中發現 Z 向振動上蓋性能不滿足要求的情況，采用形貌優化方法，在電池上蓋加筋，一階模態頻率提高 53.9%；經過上蓋加 17 對稱長筋和 2 橫筋方法，電池第一階模態提高72.3%，達到 40Hz 以上。優化前后頻響結果最高提高 48dB，并在振動疲勞載荷較大區間（5-50Hz）得到有效降低。優化后電池振動疲勞壽命提高 11.6 倍，達到預計設定 2e+5 目標，驗證了形貌優化提高電池振動疲勞性能的有效性。

來源：引來源：引用Altair 2017 技術大會論文集，轉載請注明，如涉及作品版權問題，請聯系我們刪除或做相關處理！