新能源汽車電池包底座模態分析的案例
【iSolver案例分享58】新能源汽車電池包底座模態分析
【iSolver案例分享58】新能源汽車電池包底座模態分析
1.引言：
iSolver為一個完全自主的面向工程應用的通用結構有限元軟件，對標Nastran、Ansys、Abaqus設計和實現，具備結構有限元常用分析類型和單元、材料、載荷等基礎算法組件，精度和Abaqus一致。本文以新能源汽車電池包底座模態分析為例，演示iSolver的分析流程，并將iSolver和Abaqus計算結果進行對比。
2.模型背景：
此案例為新能源汽車電池包底座的模態分析，由于汽車在使用過程中會受到路面的隨機振動激勵，對于電池包底座來說，設計初期就應該避免各階模態與路面激勵過于相近的問題，所以需要對其進行模態分析。分析對象為不規則二維實體帶加筋板結構。為保證最大限度將模型劃分為四邊形網格，需要將模型進行適當切分再用殼單元進行離散進行有限元模型建立，其中，電池包底座殼單元厚度為6mm，加筋板厚度為4mm。該結構選用的單位制為SI(mm)制，結構材料為6063鋁，其彈性模量為70e3MPa，泊松比為0.33，密度為2.7e-9tonne/mm3。
3.建模：
有限元模型如下：
為了保證模型的求解精度，整體結構盡可能采用結構化網格劃分，殼單元95%以上均為四邊形單元。模型共劃分為108638個單元。
展開 新能源汽車試驗T型槽平臺：電池包碰撞與電機耐久測試專用方案
在新能源汽車研發與質檢領域，電池包碰撞測試與電機耐久測試是評估核心部件安全性與可靠性的關鍵環節。新能源汽車試驗T型槽平臺作為測試的核心基準載
新能源汽車試驗T型槽平臺：電池包碰撞與電機耐久測試專用方案
在新能源汽車研發與質檢領域，電池包碰撞測試與電機耐久測試是評估核心部件安全性與可靠性的關鍵環節。新能源汽車試驗T型槽平臺作為測試的核心基準載體，其結構設計與性能參數直接決定測試數據的性與測試過程的安全性。本文結合新能源汽車試驗平臺、電池包測試專用T型槽、電機耐久試驗基準臺等高頻關鍵詞，針對性解析適配電池包碰撞與電機耐久測試的專用方案，為新能源汽車核心部件測試提供實操支撐。
一、專用平臺核心性能要求：適配新能源測試嚴苛場景
新能源汽車電池包碰撞測試需承受瞬時強沖擊載荷（可達10-20g），電機耐久測試需長期耐受高頻振動（頻率50-2000Hz），因此專用T型槽平臺需滿足三大核心性能：一是剛性，確保沖擊與長期振動下無塑性變形；二是定點，保障測試件安裝同軸度與位置精度；三是安全防護，適配高壓、高沖擊的測試環境。平臺精度等級優先選用00級（平面度≤0.02mm/m），槽寬公差控制在H6級，為測試提供穩定基準。
二、電池包碰撞測試專用方案：強沖擊下的穩定支撐
1.材質與結構優化：選用QT600強度球墨鑄鐵，經高溫時效+振動時效+自然時效三重處理，殘余應力去除率≥99%，搭配“箱型封閉框架+加密加強筋”結構，筋板厚度≥35mm，臺面厚度≥150mm，可承受20g瞬時沖擊載荷，臺面撓度≤0.01mm/m。
2.定點與固定設計：采用寬幅T型槽（槽寬36-45mm），間距100-150mm，搭配12.9級強度防松螺栓與專用防滑夾具，確保電池包測試件牢固固定，碰撞過程中無移位；臺面對稱分布定點銷孔，定點精度≤±0.01mm，保障每次測試安裝位置一致性。
展開 基于MeshFree的新能源電池包模態與強度分析
本文針對新能源汽車動力電池包的簡化結構，使用MeshFree軟件對其進行CAE仿真分析，并與傳統FEM軟件OptiStruct、Abaqus的分析結果進行對比。
電池包的簡化結構如上圖，主要由模組、箱體支架、箱體托盤以及加強梁等部件組成。本文使用MeshFree軟件對電池包的三個項目進行分析（模態分析、自重工況分析、隨機振動分析），各分析約束部位均為電池包與車身連接螺栓。
將電池包三維數據導入MeshFree，給各部件賦予材料（材料參數均為自己設置，未對應實際材料），使用自動接觸工具建立各部件的焊接接觸，并根據各個部件的基本尺寸，對其設置不同的結構化網格參數。
1. 模態分析
將前面的約束應用到模態分析工況中，并設置模態求解控制參數，得到MeshFree的一階模態結果為32.7 Hz：
將同樣的三維模型用Hypermesh劃分網格，然后將網格模型分別用Optistruct和Abaqus兩個求解器計算，得到的一階模態分別為：Optistruct：32.5 Hz；Abaqus：31.7 Hz。具體結果可以參見附件文檔。
2. 自重工況分析
將前面的約束應用到線性分析工況中，并設置自重作為載荷：得到線性分析的最大位移為0.35 mm，發生在箱體托盤側邊；最大應力為19.8 MPa，發生在箱體托盤底部。
Optistruct和Abaqus的具體結果可以參見附件文檔。
3. 隨機振動工況分析
隨機振動工況是新能源動力電池GB里明確要求的項目，對整個電池包的疲勞耐久評判具有重要意義。
展開 基于Ncode的新能源汽車電池包隨機振動疲勞分析
電池包是新能源汽車的關鍵零部件，其耐久性影響著新能源汽車整體的可靠性，按照國標GB/T31467.3-7.1振中的要求，電池包需要在振動試驗臺上進行三個方向上疲勞耐久，測試從Z軸開始，然后是Y軸，最后是X軸。每個方向的測試時間是21個小時。
本文基于某車型動力電池包，使用
Hypermesh-Optistruct-Ncode聯合仿真分析手段，進行隨機振動疲勞分析。按照振動臺架邊界條件進行工況設置，求解電池包振動疲勞壽命。
有限元模型建立
分析模型包括電池包殼體、模組以及車身連接支架，與車身安裝處采用rbe2模擬螺栓。通過節點耦合，在rbe2耦合單元主節點處施加激勵，模擬臺架狀態。本文使用聯合仿真進行電池包臺架隨機振動疲勞分析，主要包括單位加速度激勵下應力結果，振動加速度頻譜，疲勞材料及參數設置以及后處理等。根據臺架測試要求，從ZYX三個方向依次進行，時間為21h。本文建立的電池包模型如下圖所示：
圖1 某電池包有限元模型
頻率響應分析
2.1 邊界約束，固定約束電池包支架，如下所示：
圖2 電池包約束示意圖
2.2 模態頻率提取，在EIGRL模態分析卡片中定義特征模態頻率提取范圍V1-V2為0-200Hz：
2.3 頻率響應分析，為了保證和PSD載荷表中的單位保持一致，需要保證頻響分析中的激勵單位協調統一，因為PSD輸入是按g^2/Hz，因此頻響分析的激勵需要換算成9810mm/s^2。如對三個方向X/Y/Z分別采用1G加速度進行激勵，并與載荷幅值TABLED1關聯，即為實際載荷譜激勵。
2.4 為了保證計算精度，在結構響應的峰值位置增加計算頻率（FREQ1）。
展開 
元王二次開發丨新能源汽車電池包CAE有限元仿真分析
掣肘新能源汽車發展的關鍵因素是什么？
是續航能力，是電池！
節能環保的理念深入人心，國家大力推行，新能源汽車已是大勢所趨，新能源汽車各方面技術已經漸漸趨于成熟，但是電池技術還有待突破，電池設計的進展就是新能源汽車進步的核心，所以新能源汽車電池包的設計開發是重中之重！
如今很多廠商已經采用仿真軟件實現設計過程中的模擬測試，但是效率可能并未有質的飛躍，如何快速將仿真效率提升50%以上，不妨試試元王電池包自動化CAE平臺！
電池包自動化CAE平臺就是元王針對電池包產品定制化二次開發的CAE仿真平臺。不可否認，原有仿真軟件功能強大，通用性強，但大家都是這么用，仿真效率卻很難再有突破。而元王不改變現有仿真軟件系統內核，針對電池包進行定制化修改和功能擴展。“針對性”“定制化”就是效率升級的關鍵。
元王電池包自動化CAE平臺，經企業實際應用，前處理建模時間平均縮短50%，后處理周期平均縮短70%，那元王電池包二次開發仿真軟件到底是如何實現效率提升的呢？
1. 前處理界面流程化導航
2. 網格自動劃分及質量調整
3.
展開 新能源汽車電池包液冷熱流如何計算？
作者：王永康
來源：仿真秀
導讀：“蓋世汽車據外媒報道，美國普渡大學（Purdue University）研究人員研發出一項新型電動汽車技術，該技術結合了電池和氫能，能量密度非常高，只需要快速補充電池液就可讓乘用車續航里程達到5000公里以上”。
該技術使用專利的“液流”系統，通過單電池液產生電力，為電動汽車提供動力，并且可根據需要產生氫能。
汽車的發展不僅推動了現代社會的進步，而且促進了地區之間的交流，但同時也帶來了環境污染及能源消耗問題。以電動汽車為代表的新能源汽車將是解決汽車工業可持續發展問題的重要途徑之一。動力電池作為電動汽車的關鍵零部件，直接影響著電動汽車產業化的進程。因此，針對動力電池的熱管理系統研究是十分必要與迫切的。
設計性能良好的電池組熱管理系統，要采用系統化的設計方法。很多研究文獻都介紹了各自設計的熱管理方法，因此，在儲能系統電池組應用中，還需要對電池進行熱管理設計。
但真實的電池組熱環境是極其復雜的，依靠傳統理論的手動計算或經驗估計，已經無法滿足對產品研發的需求，因此需要借助成熟的CFD技術來完善對電池組熱特性的準確評估與分析，合理優化改善電池組內部熱環境，提高其可靠性。
Icepak熱分析軟件可以解決各種不同尺度級別熱模型，或者幾何尺寸細長比比較小的熱模型散熱問題，同時提供了電池包熱仿真需要的風扇風機模型（可輸入P-Q曲線）、導流板模型、快速提取風管模型、電池包殼單元模型，因此Icepak可以快速建立電池包幾何建模、同時具有豐富的網格類型、網格質量評價工具，其計算求解精度高且穩定，并具有豐富的后處理功能。
仿真分析與實測數據的對比結果表明，Icepak 能夠有效模擬電池組的溫度場及流場，可以作為一種溫度試驗仿真技術用于電池組的熱管理設計與優化。
展開 新能源汽車電池包箱體的輕量化發展
作者： 司福建 時紅海 吳中旺 劉暢 賴興華
清華大學蘇州汽車研究院
隨著世界能源危機和環境污染問題日益嚴重，汽車輕量化越來越受到人們的重視。輕量化對汽車節能減排的效果直接而顯著，試驗證明，對于傳統燃油汽車，汽車整備質量每減輕10%，可降低油耗6%～8%，排放下降3%～4%；對于新能源純電動汽車，汽車整備質量每減少10%，電耗下降5.5%，續航里程增加5.5%。同時汽車質量的降低可減小汽車制動距離，提高安全性能。所以，無論是對傳統燃油汽車，還是對新能源汽車，汽車輕量化研究均具有重要意義。
輕量化并非簡單地將整備質量減輕，而是在保證強度和安全性能的前提下盡可能地降低整備質量并保證制造成本在合理范圍內，以實現安全性和經濟性的兼顧統一。電池包箱體作為動力電池的承載和防護機構，在電池包系統中占據重要位置，而且其整備質量目前偏大，具有較大的輕量化空間，同時政策對于電池包能量密度的要求逐步提高，使得電池包箱體輕量化發展具有很強的緊迫性。
針對輕量化過程中引入的新材料和新結構連接需求，本文對電池包箱體輕量化的發展及新型連接技術的應用進行綜述，旨在對輕量化設計和制造提供有益借鑒。
電池包箱體的輕量化發展
傳統電池包箱體一般采用低碳鋼鈑金和焊接工藝加工而成，成本較低但箱體質量較大，嚴重影響電池包系統能量密度的提高和新能源汽車的輕量化，不符合發展趨勢，需要進行輕量化改進。目前針對電池包箱體輕量化的主要手段為輕量化材料應用和輕量化結構設計。
輕量化材料的應用
電池箱輕量化材料應用主要包括鋁合金材料、高強鋼材料和復合材料的應用等，目前鋁合金替代傳統低碳鋼在電池箱上得到了大范圍的應用，鋁合金箱體成為電池箱體發展的一個重要方向。
鋁是最常用的金屬材料之一，同時也是地殼中分布最廣、儲存量最多的元素之一，占地殼質量的8.13%。
展開 新能源汽車動力電池包結構輕量化開發方法與實踐
本文來自華南理工大學 蘭鳳崇教授在“2018中國汽車輕量化論壇”上的報告，未經本人確認。特此說明。
來源：車訊前沿
接新能源電池包結構仿真分析
接仿真任務，主要為新能源電池包結構類:振動，沖擊，擠壓，碰撞，底部球擊，模組膨脹力等等。D寫畢設論文，有需要私聊。
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
新能源汽車用電機模態有限元分析
整機狀態下分析計算定子二階同相位模態頻率588HZ 、三階同相位模態頻率1523HZ、四階同相位模態頻率2760HZ，圖3為各階模態振型。
4 試驗模態
采用LMS SCADS 信號采集與分析系統對樣機進行模態試驗。將樣機置于彈性塑料墊上，在樣機中部周向布置36個激振點，采用錘擊法進行測試。為確保測試信號的可靠性，減小測試過程中的敲擊誤差及信號干擾，對同一測試點多次敲擊并對產生的信號取平均。圖4為試驗模態振型圖。表3為仿真與實測結果比較。
通過表三可以看出仿真與試驗結果偏差在5%以內，說明仿真與實測結果基本吻合，具有較高的置信度。
表3 仿真與試驗比較
圖4 試驗模態振型圖
5 結論
本文以新能源汽車用驅動電機為研究對象，通過對定子鐵芯材料等效計算及電機結構簡化，進行整機自由模態有限元分析。經對比仿真與整機模態試驗結果得出以下結論：
1.將鐵芯疊片結構視為橫觀各向同性材料并通過有限元方法計算材料參數，為準確分析電機模態特性及NVH性能預測奠定基礎。
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新能源汽車用電機模態有限元分析
新能源汽車用電機模態有限元分析！
1 引言
作為新能源汽車“三電系統”的重要組成部分，驅動電機朝著小型化、輕量化、高速、高功率密度、高效率的方向發展，導致電機結構設計出現較薄化，易產生振動噪聲問題。振動噪聲會引起電機結構疲勞損壞，降低整車舒適性，引起市場抱怨，進而降低產品競爭力。因此，解決電機振動噪聲問題成為近年來國內研究的熱點。
電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。
展開 新能源汽車用電機模態有限元分析
作為新能源汽車“三電系統”的重要組成部分，驅動電機朝著小型化、輕量化、高速、高功率密度、高效率的方向發展，導致電機結構設計出現較薄化，易產生振動噪聲問題。振動噪聲會引起電機結構疲勞損壞，降低整車舒適性，引起市場抱怨，進而降低產品競爭力。因此，解決電機振動噪聲問題成為近年來國內研究的熱點。
電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。
本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機模型進行模態分析，其參數指標如表1：
表1 電機參數表
2 模態分析有限元模型建立
2.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實體密度為鐵芯實際重量與模型體積的比值。定子材料參數有限元等效過程：在兩個相鄰硅鋼片疊片平面取單位面積的幾何作為分析對象，將疊壓過程縮短的長度平均分配到每個硅鋼片作為強制位移載荷，并把壓縮變形后狀態作為材料參數計算的初始狀態。分別在X、Y、Z單一方向上施加單位載荷，另外兩個方向施加對稱邊界條件，求解材料變形。
展開 中汽研-基于專利分析的新能源汽車動力電池熱管理技術發展現狀分析
文章來源：中國汽車技術研究中心有限公司
1引言
隨著新能源汽車普及應用，動力電池管理系統成為電池系統的核心、守護電池安全的關鍵，企業對電池管理的研發熱度不斷升溫。動力電池管理功能可分為電管理、狀態管理和熱管理。電管理使動力電池發揮優異的輸出性能，同時不會發生過充和過放，電池單體之間容量均衡。電池狀態管理功能是電管理的基礎，準確估計電池荷電狀態、健康狀態、功率狀態等參數，為電池電管理提供依據；電池熱管理能夠保證電池工作在適合的溫度范圍內，低溫下電池輸出特性不發生衰減，也能夠避免低溫出現枝晶導致的內短路和高溫電池過熱導致的熱失控，維護了動力電池安全。
2電池管理核心技術專利申請趨勢分析
本文使用的專利檢索數據庫為中國汽車技術研究中心有限公司自主研發的全球汽車專利數據庫，收錄了全球104個國家1.3億余條汽車及相關領域的專利。專利選取范圍以申請日為入口，自2001年1月1日起，截至2020年12月31日。
對電池管理系統的電管理、熱管理和電池狀態管理這3項核心技術進行專利申請趨勢分析，如圖1所示。電池電管理包括電池充放電技術、均衡技術和電池保護等，電池狀態管理包括電池參數測量、荷電狀態估計、健康狀態估計、功率狀態估計等。電池狀態管理和電管理領域的專利申請量從2001年開始保持快速增長態勢，直至2013年增速放緩，同時電池狀態管理的申請量逐漸超過電池電管理。
展開 新能源汽車動力電池熱管理熱流體仿真案列分析
圖13低溫加熱電芯溫度變化云圖（動圖）
圖14 低溫加熱電芯溫度變化曲線
以上是筆者關于新能源汽車動力電池液冷系統熱流體仿真分析，希望對大家有所幫助，如有不當，歡迎批評指正。為了幫助大家更好的掌握ANSY-SCDM和STAR-CCM+在動力電池熱仿真應用，自2019年10月10日起，我將在平臺發布《新能源汽車PACK熱流場分析進階16講》。
當前我已經更新到第15期，感興趣的朋友可以關注和訂閱，微信：fxy331386375一起交流學習和進步本人提供資料模型和學習答疑，希望對學習型工程師有所幫助吧！學習鏈接https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c14059
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