1. 引言

新能源汽車電池包的隔熱散熱關(guān)系到電池安全及經(jīng)歷長(zhǎng)期工況后的一致性問(wèn)題，影響系統(tǒng)安全性和可靠性。電池?zé)峁芾頇C(jī)組作為控制電池包溫度的關(guān)鍵部件之一，機(jī)組內(nèi)部布置了大量的管路和其他零部件，這些零部件通過(guò)螺栓或焊接的方式與機(jī)組鈑金框架相連。整個(gè)機(jī)組受到車輛不同運(yùn)行工況下的激勵(lì)載荷，如果載荷頻率與電池?zé)峁芾頇C(jī)組某一階固有頻率接近或相同，可能會(huì)引起共振，導(dǎo)致局部應(yīng)力過(guò)大，零部件及系統(tǒng)可靠性大大降低。GB/T 21361-2008對(duì)汽車用空調(diào)器振動(dòng)試驗(yàn)的要求作了明確規(guī)定。

 

文中首先在前處理軟件中建立整個(gè)電池?zé)峁芾頇C(jī)組的有限元模型，利用 Abaqus 求解器進(jìn)行系統(tǒng)的模態(tài)和諧響應(yīng)分析；根據(jù)分析結(jié)果判定設(shè)計(jì)方案的可靠性和合理性。

 

2. 電池?zé)峁芾頇C(jī)組的有限元模型建立

2.1 幾何模型建立

幾 何 模 型 是 建 立 CAE 有 限 元 模 型 的 基 礎(chǔ) ， 在SolidWorks 中建立如圖 1 所示的幾何模型，為便于有限元前處理，將模型導(dǎo)出為.stp 格式。

 

 

圖 1. 某新能源汽車電池?zé)峁芾頇C(jī)組

 

圖 1 中，電池?zé)峁芾頇C(jī)組各個(gè)主要部件為：①安裝腳；②鈑金框架；③內(nèi)部管路；④板式換熱器；⑤壓縮機(jī)；⑥冷凝器；⑦PTC 加熱器；⑧風(fēng)機(jī)。

 

2.2 有限元模型建立

針對(duì)電池?zé)峁芾頇C(jī)組，采用專用前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)部件的幾何特征，鈑金結(jié)構(gòu)①②、管路③使用殼單元，非考核部件④⑤⑦⑧使用殼單元+附加質(zhì)量模擬，使其質(zhì)量與重心位置與實(shí)際相同。單元類型為 S3 和 S4R，單元基本尺寸設(shè)為 10mm；

冷凝器⑥用六面體單元，單元類型為 C3D8R，單元基本尺寸設(shè)為 8mm；螺栓用 MPC 替代，由于模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析是線性分析技術(shù)，非線性的接觸設(shè)置不起作用,因此部件間接觸采用 Tie 模擬。最終有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)62858，單元數(shù) 65696，電池?zé)峁芾頇C(jī)組有限元模型如圖2 所示，局部細(xì)節(jié)圖如圖 3 所示。

 

 

圖 2. 電池?zé)峁芾頇C(jī)組有限元模型

 

 

圖 3. 電池?zé)峁芾頇C(jī)組局部有限元模型

 

3. 電池?zé)峁芾頇C(jī)組的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。模態(tài)分析也是響應(yīng)譜分析和模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析必需的前期分析過(guò)程。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法[1-2]。本次分析采用Abaqus 求解器及分塊 Lanczos 方法進(jìn)行求解。

 

3.1 材料設(shè)定

在電池?zé)峁芾頇C(jī)組中，參照?qǐng)D 1，其中①-⑤、⑦的材料為碳鋼 Q235，⑥的材料為鋁合金 3003，⑧的材料為ABS 塑料，計(jì)算中用到的材料屬性如表 1 所示。

 

表 1 電池?zé)峁芾頇C(jī)組材料屬性

 

 

3.2 約束邊界條件

電池?zé)峁芾頇C(jī)組兩側(cè)有安裝腳與框架相連，每側(cè)安裝腳各有兩個(gè)螺栓孔。如圖 4 紅色虛線框所示，約束螺栓孔處節(jié)點(diǎn)的 1~6 自由度。

 

 

圖 4. 熱管理機(jī)組的安裝腳約束示意圖

 

3.3 模態(tài)分析

GBT 21361-2008 汽車用空調(diào)器振動(dòng)試驗(yàn)方法中規(guī)定振動(dòng)試驗(yàn)頻率為 33Hz 或 67Hz。提取的模態(tài)頻率范圍應(yīng)將其包含在內(nèi)，設(shè)定提取模態(tài)數(shù) 0～20 階，提交 Abaqus求解器進(jìn)行求解，得到模態(tài)頻率值如表 2 所示，若提取模態(tài)不足可重新設(shè)定更高階數(shù)。圖 5 為電池?zé)峁芾頇C(jī)組前四階模態(tài)振型圖。

 

表 2 電池?zé)峁芾頇C(jī)組的固有頻率

 

 

 

 

(a)第一階振型云圖(振幅比/無(wú)量綱)

 

 

(b)第二階振型云圖(振幅比/無(wú)量綱)

 

 

(c)第三階振型云圖(振幅比/無(wú)量綱)

 

 

(d)第四階振型云圖(振幅比/無(wú)量綱)

圖 5 電池?zé)峁芾頇C(jī)組前四階振型云圖

 

電池?zé)峁芾頇C(jī)組通過(guò)安裝腳與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)相連，從模態(tài)分析結(jié)果來(lái)看，第 13 階模態(tài)頻率和 GBT 21361-2008汽車用空調(diào)器振動(dòng)試驗(yàn)方法中規(guī)定的試驗(yàn)頻率67Hz一致，有可能發(fā)生共振現(xiàn)象。

 

4. 電池?zé)峁芾頇C(jī)組的諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)是結(jié)構(gòu)在周期載荷作用下產(chǎn)生的周期響應(yīng)。諧響應(yīng)分析能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否能克服共振、疲勞及其他受迫振動(dòng)引起的有害效果。諧響應(yīng)分析計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同頻率下的響應(yīng)，可以觀察到峰值響應(yīng)頻率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。諧響應(yīng)分析是線性分析技術(shù)，任何非線性特性將被忽略[3]。本次分析采用 Abaqus求解器及模態(tài)疊加法進(jìn)行求解。

 

4.1 載荷邊界條件

按 GBT 21361-2008 汽車用空調(diào)器振動(dòng)試驗(yàn)方法的規(guī)定，表 3 給出了 33Hz 和 67Hz 時(shí)電池?zé)峁芾頇C(jī)組的載荷及加載方向。

 

表 3 電池?zé)峁芾頇C(jī)組載荷及加載方向

 

 

4.2 諧響應(yīng)分析

電池?zé)峁芾頇C(jī)組在受到加速度簡(jiǎn)諧載荷時(shí)，因框架與壓縮機(jī)、換熱器等零部件的固定板均是鈑金結(jié)構(gòu)，這些鈑金件受破壞風(fēng)險(xiǎn)最大，影響安裝在上面部件的安全運(yùn)行。因此，文章諧響應(yīng)分析時(shí)，主要考察電池?zé)峁芾頇C(jī)組的鈑金件[4] 。

 

圖 6～8 為電池?zé)峁芾頇C(jī)組在激勵(lì)頻率 33Hz 時(shí)三種工況下的應(yīng)力云圖。從計(jì)算分析結(jié)果來(lái)看，橫向 X 載荷工況下，其最大應(yīng)力為 110.5Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在背面鈑金與底殼鈑金的中間連接螺栓孔附近；縱向 Y 載荷工況下，其最大應(yīng)力為 59.9Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在板式換熱器固定支架折彎附近；垂向 Z 載荷工況下，其最大應(yīng)力為 86.2Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在板式換熱器固定支架折彎附近。

 

 

圖 6 33 Hz 橫向 X 工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

 

圖 7 33 Hz 垂向 Y 工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

圖 8 33 Hz 縱向 Z 工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

 

圖 9 67 Hz 橫向 X 工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

 

圖 10 67 Hz 垂向 Y 工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

 

圖 11 67 Hz 縱向 Z 工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

從計(jì)算分析結(jié)果來(lái)看，橫向 X 載荷工況下，其最大應(yīng)力為 53.7Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在正面鈑金與進(jìn)出水口相連位置；縱向 Y 載荷工況下，其最大應(yīng)力為 75.5Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在板式換熱器固定支架折彎附近；垂向 Z載荷工況下，其最大應(yīng)力為 111.9Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在出口管和高壓加注口相連位置。

 

兩種激勵(lì)頻率、三個(gè)載荷方向工況下，電池?zé)峁芾頇C(jī)組的最大應(yīng)力均未超過(guò)其材料的屈服強(qiáng)度 235Mpa。

 

5. 結(jié)論

文 章 以 某 電 池 熱 管 理 機(jī) 組 為 研 究 對(duì) 象 ， 運(yùn) 用SolidWorks 建立了機(jī)組幾何模型，利用專用前處理軟件建立了有限元模型，在此基礎(chǔ)上，用 Abaqus 求解器進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。分析表明，各工況下機(jī)組最大應(yīng)力均未超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，整體滿足設(shè)計(jì)要求。

 

文章對(duì)某新能源輕卡電池?zé)峁芾頇C(jī)組進(jìn)行模態(tài)分析后，發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在與試驗(yàn)頻率 67Hz 相同的模態(tài)頻率，后期還需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避開共振區(qū)域