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电动汽车动力电池振动疲劳性能优化(一)

2017/10/4    来源:互联网    作者:辛雨  王春杰  王春杰  杨重科  杨重科  李玉军      
关键字:电动汽车  动力电池  振动疲劳  OptiStruct  频响  
本文采用标准振动载荷及疲劳分析软件,根据流程实现动力电池振动疲劳数值仿真分析,并使用Altair软件OptiStruct形貌优化对风险区域进行分析。

    0 引言

    随着越来越严重的能源消耗,环境污染等一系列问题,电动汽车的需求及销售量越来越 大。据中汽协数据统计,2016年新能源汽车生产51.7万辆,销售50.7万辆,均实现50% 以上的同比增幅。而随着电动汽车的存量增加,电动汽车安全事故明显增多,成为关注热点; 据统计,2016年全球电动汽车发生起火事故35起,其中我国发生安全事故29起,涉及 电动车合计40辆;我国电动汽车2016年事故数是2015年(14起)的2倍多,安全性能 必须作为电动汽车设计中最重要问题考虑。

    动力电池是电动汽车安全相关重要部件,动力电池安全性能是电动汽车安全性能的重中 之重。为保证动力电池安全,国内外制定了一系列动力电池相关技术法规;相关技术法 规(例如 ISO12405-3,IEC 62660,ECER100.2,SAEJ2929,UL 2580,GB/T 31467.3等),对动力电池振动性能及其试验测试都做出相关规定。

    动力电池振动性能法规基于整车应用角度出发,对电池系统因车辆正常行驶所受振动载 荷下的安全性能进行考察。对于动力电池振动性能,可采用试验方法进行分析优化,国 际上也存在较成熟的数值仿真方法进行模拟分析。由于CAE仿真可以在动力电池样件制 造出之前对其振动能否达到要求进行预估计算,近期在国内动力电池设计中作为有效验证手 段得到应用。

    某电动汽车设计开发过程中,其动力电池无法借用成熟资源,需重新开发。动力电池振 动性能参考GB/T 31467.3标准进行仿真,分析结果发现电池上箱体存在振动疲劳风险。对 风险位置进行分析后,使用形貌优化方法对上箱体进行优化计算,得到上箱体优化方向;参 考形貌优化结果对上箱体设计更改后,上箱体第一阶模态频率提高62.1%,振动疲劳性能 提高至2e8以上,风险消除。

    1 理论基础

    1.1 振动疲劳

    1981年Valani利用内时理论推导了结构疲劳寿命与加载频率之间的关系,1993年毛 罕平和陈翠英推导了全面反映加载频率影响的裂纹扩展速率公式。随后Dimarogona和他的 研宄生系统研宄了共振条件下结构疲劳裂纹扩展机制,Dentsora和Kouvaritaki系统分析 了激励频率对共振条件下聚合物材料疲劳裂纹扩展寿命的影响,Colakoglu推导了疲劳裂纹 萌生寿命与结构阻尼变化的关系。而随着计算机仿真分析技术的发展,已有多种CAE软件 实现了振动疲劳模块化分析功能。

    振动疲劳与一般疲劳在载荷、响应、计算方法等方面存在不同特点,导致振动疲劳寿命 分析与一般循环疲劳寿命分析具体步骤上存在巨大不同。振动疲劳分析可分为时域分析法和 频域分析法。一个典型的频域分析法结构振动疲劳寿命分析需如图所示步骤完成。

    1

    图1 振动疲劳分析流程图

    1.2 功率谱密度PSD

    信号的功率谱密度(powerspectral density, PSD)描述了信号的功率如何随频率分布。 GB31467中对电池包及动力电池系统的振动载荷使用加速度PSD谱进行定义。振动疲劳分 析时可直接输入加速度PSD谱作为振动载荷。

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    图2 振动载荷PSD谱

    1.3 形貌优化

    形貌优化是一种结构优化方法,它通过数值计算方法在板形结构中寻找最优加强筋分布。 形貌优化用于设计薄壁结构强化压痕,在减轻结构重量的同时能满足强度、频率等要求。与 拓扑优化不同的是,形貌优化不删除材料,而是在可设计区域根据节点的扰动生成加强筋。

    形貌优化为形状优化的高级形式,并使用形状变量作为设计变量;形貌优化计算中首先 将设计区域划分为各自独立的变量,经过一系列的迭代优化,计算这些变量对结构的影响后, 获得对设计目标影响最大的区域,并确定加强筋分布位置。

责任编辑:张纯子
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