電動汽車動力電池振動疲勞性能優化

VibrationFatigue Optimization for Electric Vehicle Power Battery

 

摘  要：基于整車運行工況及動力電池安全相關法規要求，需對動力電池進行振動疲勞性能驗證。采用標準振動載荷及疲勞分析軟件，可根據流程實現動力電池振動疲勞數值仿真分析。通過分析動力電池模態初步判斷振動疲勞風險部件，并為頻響分析提供支持；通過頻響分析初步判斷風險工況，并為振動疲勞提供計算輸入；振動疲勞分析發現并驗證風險位置，具體壽命及需整改區域。使用Altair軟件OptiStruct形貌優化對風險區域進行分析，確認優化方向及優化效果；結合結構特點及實現工藝設計優化風險部件，模態分析驗證了形貌優化及設計的正確性。對優化后動力電池頻響及振動疲勞性能分析，動力電池振動疲勞滿足預設指標，使用形貌優化方法提高動力電池振動疲勞性能是有效的。

關鍵詞：電動汽車，動力電池，振動疲勞，OptiStruct，頻響。

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

隨著越來越嚴重的能源消耗，環境污染等一系列問題，電動汽車的需求及銷售量越來越大。據中汽協數據統計，2016年新能源汽車生產51.7萬輛，銷售50.7萬輛，均實現50%以上的同比增幅。而隨著電動汽車的存量增加，電動汽車安全事故明顯增多，成為關注熱點；據統計， 2016年全球電動汽車發生起火事故35起，其中我國發生安全事故29起，涉及電動車合計40輛；我國電動汽車2016年事故數是2015年（14起）的2倍多，安全性能必須作為電動汽車設計中最重要問題考慮。

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[1]。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。

動力電池振動性能法規基于整車應用角度出發，對電池系統因車輛正常行駛所受振動載荷下的安全性能進行考察。對于動力電池振動性能，可采用試驗方法進行分析優化[2]，國際上也存在較成熟的數值仿真方法進行模擬分析[3]。由于CAE仿真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，近期在國內動力電池設計中作為有效驗證手段得到應用[4-5]。

某電動汽車設計開發過程中，其動力電池無法借用成熟資源，需重新開發。動力電池振動性能參考GB/T 31467.3標準進行仿真，分析結果發現電池上箱體存在振動疲勞風險。對風險位置進行分析后，使用形貌優化方法對上箱體進行優化計算，得到上箱體優化方向；參考形貌優化結果對上箱體設計更改后，上箱體第一階模態頻率提高62.1%，振動疲勞性能提高至2e8以上，風險消除。

 

1 理論基礎

1.1振動疲勞

1981年Valani利用內時理論推導了結構疲勞壽命與加載頻率之間的關系，1993年毛罕平和陳翠英推導了全面反映加載頻率影響的裂紋擴展速率公式。隨后Dimarogona和他的研究生系統研究了共振條件下結構疲勞裂紋擴展機制[6]，Dentsora和Kouvaritaki系統分析了激勵頻率對共振條件下聚合物材料疲勞裂紋擴展壽命的影響，Colakoglu推導了疲勞裂紋萌生壽命與結構阻尼變化的關系。而隨著計算機仿真分析技術的發展，已有多種CAE軟件實現了振動疲勞模塊化分析功能。

振動疲勞與一般疲勞在載荷、響應、計算方法等方面存在不同特點，導致振動疲勞壽命分析與一般循環疲勞壽命分析具體步驟上存在巨大不同。振動疲勞分析可分為時域分析法和頻域分析法。一個典型的頻域分析法結構振動疲勞壽命分析需如圖所示步驟完成。

1.2功率譜密度PSD

信號的功率譜密度（power spectral density, PSD）描述了信號的功率如何隨頻率分布。GB31467中對電池包及動力電池系統的振動載荷使用加速度PSD譜進行定義。振動疲勞分析時可直接輸入加速度PSD譜作為振動載荷。

圖2 振動載荷PSD譜

 

1.3形貌優化

形貌優化是一種結構優化方法，它通過數值計算方法在板形結構中尋找最優加強筋分布。形貌優化用于設計薄壁結構強化壓痕，在減輕結構重量的同時能滿足強度、頻率等要求。與拓撲優化不同的是，形貌優化不刪除材料，而是在可設計區域根據節點的擾動生成加強筋。

形貌優化為形狀優化的高級形式，并使用形狀變量作為設計變量；形貌優化計算中首先將設計區域劃分為各自獨立的變量，經過一系列的迭代優化，計算這些變量對結構的影響后，獲得對設計目標影響最大的區域，并確定加強筋分布位置。

 

2 電池包振動疲勞分析

2.1輸入參數

某電動汽車設計開發過程中，動力電池無法借用現有成熟資源，其振動疲勞性能需重新分析驗證，如不滿足要求需進行優化分析。本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。

圖3 動力電池建模處理

 

2.2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

圖4 電池上蓋中心點頻響

 

2.3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。針對電池上蓋存在的振動疲勞風險，需進行優化將CAE計算振動疲勞壽命提高到2e+5以上。

 

3 優化分析

3.1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。

 

3.2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。

 

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

 

4 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。

 

5 結論

動力電池運行壞境及國家標準皆要求對其進行振動疲勞分析，以縮短設計及疲勞驗證周期。某電動汽車開發過程中，針對分析中發現Z向振動上蓋性能不滿足要求的情況，開展優化工作。使用OptiStruct形貌優化方法，獲得電池上蓋加筋建議，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。

 

6 參考文獻：

[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]王文偉, 程雨婷, 姜衛遠,等. 電動汽車電池箱結構隨機振動疲勞分析[J]. 汽車工程學報, 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]蘇陽, 楊濤, 鄂世國,等. 電動車電池包振動疲勞分析[J]. 汽車實用技術, 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.

來源：新能源車振動與安全

作者： 雨果cae