電動車 電池包 振動疲勞分析的案例
電動車動力電池包的隨機振動疲勞仿真分析案例
車載動力電池包在電動汽車行駛過程中承受著振動載荷的持續作用，因此振動試驗是電池包可靠性試驗中的重要部分。動力電池包作為電動汽車的儲能裝置，在可靠性發生失效的情況下，尤其是當一些關鍵部件或結構失效（例如出現松動、斷裂等情況）時，電池單體或者模組將發生位移、晃動或者被擠壓的情況，這將進一步造成相關部件的加速損壞，導致漏電或者采樣傳感器的失效，甚至誘發電池性能衰減，管理系統失效、電能中斷或起火爆炸等情況的發生。因此動力電池包的振動試驗也與安全性緊密相關，一直是動力電池測試評價領域關注的重點。本文利用通用疲勞壽命分析軟件Alphatigue進行電池包的隨機振動疲勞分析。
1.有限元仿真模型
頻率響應分析采用MSC.Nastran求解，分析模型的殼單元采用CQUAD4和CTRIA3單元模擬，各部件之間通過RBE2進行連接，模型總計18473個單元和18622個節點，如圖1所示。
圖1 車載動力電池包的有限元模型
2.電池包隨機振動疲勞分析流程的模塊卡片組搭建
選擇Alphatigue圖形界面的方式快速搭建隨機振動疲勞分析流程，如圖2所示。一個完整的隨機振動疲勞分析流程共分為模型輸入與工況選擇、功率譜密度文件輸入和SN求解器三部分。
圖2針對電池包隨機振動疲勞分析流程的模塊卡片組
3.工況選擇
電池包有限元分析模型共包含PSHELL_1和PSHELL_2兩個Section，如圖3所示。加載位置為電池包與車體連接點位置。
展開 電動汽車動力電池振動疲勞性能優化
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。
展開 abaqus電池包隨機振動疲勞分析（附模型及分析流程） ￥88
本例展示基于功率譜密度曲線（PSD）的電池組疲勞分析，即針對隨機振動的疲勞壽命 分析。
1 問題設定 一塊電池組，尺寸為 70mm x 175mm x 400mm。該電池組的兩端共有 6 個端點，分別受 到垂直于電池組平面的激勵作用，且激勵的加速度功率譜密度曲線（ASD）相同。 由于在隨機振動基于線性動力學原理，因此電池，PC 材料等采用實體建模，其他鈑金 采用殼單元建模， 設定相關的 fastener 點焊單元，coupling 耦合單元和 tie 約束，建立零件 和零件之間相應的連接關系。
兩端所對應的 PSD 譜線如下圖。請注意該曲線的頻率截斷在 200Hz 處。
2 分析過程 一般來說，針對隨機振動的疲勞分析包含兩大步。第一步是在 Abaqus 中完成固有模態 和掃頻兩個計算；第二步是把這兩個計算結果與 PSD 曲線一起輸入 fe-safe，運行若干設置 后完成疲勞分析，得到相關結果。
以下內容包含完整的詳細的電池包跌落仿真分析 附件為完整教程和CAE模型文件.rar
展開 守護電動“心臟”！仿真APP在汽車電池包隨機振動分析中的應用
汽車電動化、智能化、綠色化發展已成為全球各國應對氣候變化、實現低碳發展的共同選擇。在此背景下，新能源汽車持續高速發展。電池包作為新能源汽車的“心臟”，是其主要動力來源，直接影響車輛的續航里程與行駛安全。電池包結構的安全可靠性對新能源汽車至關重要，同時也是衡量新能源汽車產品競爭力的重要指標之一。
圖1 新能源汽車電池包結構示意圖
汽車在路面行駛時，會遭遇到較為復雜的路面工況，比如顛簸路、補丁路、坑洼路等，這些路面不平度所產生的激勵通過車身傳遞給電池包。為了確保結構不受破壞，電池包必須具備足夠的強度來承受路面的隨機載荷。
通常獲取電池包結構振動特性的途徑包括數值仿真與試驗方法。試驗方法可依據《GB38031-2020電動汽車用動力蓄電池安全要求》進行測試，該國標對于不同類型車輛及振動測試條件等均有明確說明。但試驗方法需要物理樣機，測試過程較長、成本較高。鑒于電池包內部結構復雜，且設計變更頻率較高，因此借助數值仿真的手段可大幅提升產品優化迭代的效率，縮短研發周期，降低測試成本。
電池包隨機振動仿真可用于評估電池包在振動條件是否滿足結構性能要求。這種分析方法有效確保了電池包在汽車正常行駛過程中不產生振動破壞。通過隨機振動仿真，可以識別結構振動風險以及潛在的結構失效位置，進而采取相應的措施來改善設計或加強結構，提高電池包的可靠性和安全性。
展開 
電池包掃頻振動疲勞分析 optistruct/nastran+ncode(附模型) ￥50
基于Ncode的新能源汽車電池包隨機振動疲勞分析
圖8 損傷結果
圖9 壽命結果
圖10 應力均方根
四、結果評價
對電池包支架進行振動疲勞分析，可以將電池包振動疲勞分析整個流程固化下來，包括PSD載荷、求解參數設置等，若后續需要更新模型或材料，直接在此模型上進行修改即可完成振動疲勞分析；通過分析可以預測電池包的支架疲勞損傷是否滿足要求，如本例中根據《GBT 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分 安全性要求與測試方法》中7.1振動疲勞法規要求，按規定的功率譜密度及仿真時間，電池包總損傷為0.848。小于1，理論滿足法規要求。
最后，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 CAE技術在電動汽車動力電池振動疲勞性能上的應用
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。
展開 CAE技術在電動汽車動力電池振動疲勞性能上的應用
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。
展開 某純電動車開空調車內振動噪聲分析與優化
摘要：某純電動車電動壓縮機工作在3000r/min 附近時車內出現明顯轟鳴聲及方向盤共振問題。對壓縮機進行定轉速掃頻測試，并對傳遞路徑進行模態分析，發現該問題主要原因是壓縮機一階振動與動力總成剛體模態共振，通過方向盤模態及整車聲腔模態進一步耦合放大導致。通過在傳遞路徑壓縮機支架上增加橡膠襯套降低壓縮機一階激勵后，開空調車內駕駛員右耳噪聲下降8.7dBA，方向盤振動總值降低3.36m/s2；同步實施壓縮機控制策略優化方案后，主觀評價該問題得到有效控制。
近年來，隨著《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》的正式發布，在國內汽車市場，純電動汽車占有率得以快速提升。由于純電動汽車相比于燃油車缺少了發動機噪聲的掩蔽，乘員艙的NVH相關問題變得更加突出，因此也越來越受到重視。在怠速開空調工況，壓縮機作為車內振動噪聲的主要激勵源之一，該工況下NVH性能的好壞將很大程度決定車輛乘坐的舒適性。關于傳統的空調壓縮機振動噪聲控制方面，行業內已有較多文獻進行研究。而對于電動壓縮機引起的車內振動噪聲問題，可參考文獻還較少。本文針對某純電動車型開空調壓縮機轉速3000r/min附近車內振動噪聲問題進行研究，通過對壓縮機采用定轉速掃頻測試和模態測試等方法，發現了問題的主要原因。對壓縮機支架實施隔振優化并結合壓縮機控制策略優化后，解決了該純電動車開空調車內振動噪聲問題。該問題的解決方案可為電動壓縮機導致的NVH問題提供參考思路。
1 問題描述
在對某純電動車樣車進行空調系統NVH性能主觀評價時，發現怠速開空調后，壓縮機轉速在快速上升過程中，車內出現明顯振動噪聲問題。表現為壓縮機首次開啟后方向盤振動極大，車內駕駛員右耳處轟鳴聲明顯。壓縮機工作一段時間后，車內噪聲和振動又會穩定維持到較低水平。
展開 輕型純電動商用車動力電池冷卻性能分析
1概述
電池作為純電動車的動力元件，直接影響到車輛的續駛里程、壽命和整車性能。對于純電動車來說，動力電池的充放電可能隨時進行。充放電是典型的電化學過程，其伴生的反應熱很容易引起電池組內100℃以上的溫差，如不及時散熱，對充放電過程、電池的可靠性和壽命都有極大的負面影響，電池熱效應問題也會影響到整車的性能和壽命。目前對動力電池冷卻主要是:保證充放電時產生的熱量及時散出;各模塊間溫度分布均勻。因此，本文以國內某輕型商用純電動車用磷酸鐵鋰電池包為研究對象，對現有電池冷卻方案進行了性能試驗對比和數據分析，確定了電池包冷卻的最終方案。
2動力電池冷卻方案
動力電池的冷卻主要有風冷、制冷劑冷卻和水冷三種方式;與其他兩種冷卻技術相比，風冷方式技術更成熟，其研發、制造成本相對較低，周期短，目前被廣泛采用，國內目前市場上的純電動汽車也主要以風冷為主。風冷方式又分自然冷卻和強制冷卻。因此，某輕型商用純電動車型動力電池也選擇風冷方式，設計了強制冷卻和自然冷卻兩種風冷方式。強制冷卻是由鼓風機將乘員艙內被空調冷卻的25～30℃空氣抽進電池箱體，通過電池箱體內部強制對流帶走電池散發的熱量，最后排入環境中。自然冷卻無單獨冷卻系統，僅依靠自然對流散熱，該方式電池溫度高，但成本低。
為滿足車輛總重量大、續駛里程長的要求，該車型選用磷酸鐵鋰電池電容量達75kWh。因在現有成熟車型上進行動力總成改型設計，受車體空間影響，電池必須安放在地板下，且電池模塊必須分別放置在前后兩電池箱內才能滿足安裝要求。電池包冷卻方案結構示意圖如圖1。
展開 隨機振動分析-abaqus（附一個電池包計算案例） ￥20
目錄
一、隨機振動的定義、特點及常見場景
二、隨機振動的數學特征--正態分布
三、 隨機振動信號為什么要用功率譜密度（PSD）表達？
四、如何將時域隨機振動曲線轉換得到功率譜密度曲線
五、 隨機振動分析理論
附.常見功率譜密度曲線給出形式
附.以dB/oct形式給出的功率譜密度曲線如何計算
附.國標中定義的PSD譜總均方根加速度值是如何計算的？
六. 隨機振動分析案例-abaqus
第一步：計算結構模態，輸出位移和應力。
第二步：隨機振動分析
2.1 定義輸出頻率上下限和模態阻尼
2.2 定義PSD載荷及加載
2.3 定義輸出
2.4 隨機振動計算頭文件設置
2.5 隨機振動分析結果
2.6 隨機振動σ應力結果評價
展開 
電池包定頻疲勞分析 optistruct/nastran+ncode（附模型） ￥20
定頻疲勞分析是為了考核結構耐共振頻率或耐預定頻率振動的能力。
根據GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中 8.2.1要求，對電池包三個方向分別加載定頻激勵，首先，利用optistruct/nastran進行頻率響應，計算20Hz幅值為1g加速度激勵下電池包應力響應；根據得到的應力響應結果，通過ncode計算電池包疲勞性能。
Step1： 頻響計算
單位加速度載荷激勵下結構的動響應。
模態求解：0-100Hz；
頻響：輸出20Hz時的應力響應。
Step2：疲勞計算
基于材料的 S-N 曲線和 Miner累積損傷準則，用N-code應力疲勞分析求解器求解， 選擇 Goodman 修正法對疲勞平均應力進行修正，最終獲得定頻振動 3 個振動方向疊加的結構損傷云圖。
展開 切向電磁力對電動車動力總成振動噪聲的影響分析
摘要:為了研究電動車的高頻電磁噪聲問題，以電動車動力總成為研究對象，綜合考慮電機電磁徑向電磁力波和切向電磁力波，建立了動力總成有限元分析模型，采用一種弱磁－固耦合的方法對動力總成的電磁振動噪聲特性進行分析，研究切向電磁力對系統振動噪聲特性的影響。在半消聲室中，對動力總成進行振動加速度及輻射噪聲測試，以驗證仿真分析方法的準確性。研究結果表明，電機與減速器集成后，切向電磁力對電機振動噪聲影響不大，但對減速器產生了不可忽略的影響，在2000Hz和2400Hz處，切向電磁力在減速器表面產生了明顯的振動，并且對減速器表面2000Hz～2400Hz范圍內的聲場貢獻較大。研究結果對電機的電磁參數和結構進行改進和優化設計，為降低電機的電磁振動提供理論依據和試驗支持。
0 引言
隨著世界各國大力推廣新能源汽車，國內外學者也開始研究電動車用永磁同步電機的振動噪聲特性振動特性，研究發現噪音和振動的根源是徑向力引起的電磁振動。此外，在進行電磁仿真分析時，通常施加理想的三相正弦電流，沒有考慮外電路電阻、電感等元件的影響; 隨著研究的深入，有學者發現:針對電機－
減速器集成驅動系統而言，由于電機與減速器存在耦合作用，因此有必要考慮電磁切向力波。
B．Prasanth 針對車用發電機嘯叫進行研究，發現電機嘯叫不僅與其自身有關，還與與其連接的機械構件有關。
通過改變連接方式、增加質量塊等方式提高了電機的噪聲品質。
P．Pellerey 等人分析了電磁切向力對電動車動力總成動態響應的影響，提出切向電磁力不會對電磁噪聲有較大貢獻，但是會對減速器動態特性產生影響。
本文以集中驅動式電動車動力總成為研究對象，考慮外電路的影響，建立場路耦合電磁仿真分析模型，得到徑向和切向電磁力。分析切向電磁力對系統振動噪聲特性的影響。
展開 基于optistruct模態頻率響應的電池包隨機振動分析 ￥15
基于隨機振動仿真手段評估車用電池箱結構的振動特性。依據GB/T 31467.3-2015法規要求,采用OptiStruct軟件以電池箱模型模態頻率為依據對電池箱進行PSD隨機振動分析。為避免與汽車振動源共振,重點研究電池箱與激勵源頻率接近的頻率下的PSD隨機振動的響應結果。利用CAE仿真手段能夠大幅度縮短電池箱的設計周期,優化了設計流程。
隨機振動是一種無法用確定的函數關系式表述的振動形式，處于隨機振動環境下的零部件的振動加速度幅值、位移幅值、應力幅值等無法預知。汽車受路面激勵而產生的振動、船舶受海浪作用產生的晃動、飛機受氣流的影響產生的擺動都是隨機振動現象。對隨機振動的載荷描述，利用數學統計的方式，把各個頻段的載荷大小分類，用功率譜密度來統計載荷的信息。
隨機振動分析結果
本案例以Z向隨機振動為例，其它方向結合功率譜要求（X/Y）依次類推。 下圖為電池包振動測試國標中Z向的加速度功率譜密度。可以看出，在Z向（垂直路面）上，加速度載荷主要集中在10Hz~20Hz頻段，這是因為路面、車架的振動主要是低頻振動，對電池包的激勵頻率一般不高于30Hz。
功率譜以Z向加載為例：
Z向功率譜/GB/T 31467.3-2015
Steinberg根據應力的高斯分布將結構的應力水平劃分為三個層次，分別為1σ、2σ、3σ應力。三個應力水平對應發生的頻率如下表所示。
展開 新能源電池包隨機振動CAE分析報告GB38031-2020 ￥5
GB38031-2020
新能源電池包隨機振動CAE分析報告
1、模型介紹
2、材料參數
3、連接關系
4、約束與載荷
5、分析結果
6、結論
