电动车动力电池包的随机振动疲劳仿真分析案例
车载动力电池包在电动汽车行驶过程中承受着振动载荷的持续作用，因此振动试验是电池包可靠性试验中的重要部分。动力电池包作为电动汽车的储能装置，在可靠性发生失效的情况下，尤其是当一些关键部件或结构失效（例如出现松动、断裂等情况）时，电池单体或者模组将发生位移、晃动或者被挤压的情况，这将进一步造成相关部件的加速损坏，导致漏电或者采样传感器的失效，甚至诱发电池性能衰减，管理系统失效、电能中断或起火爆炸等情况的发生。因此动力电池包的振动试验也与安全性紧密相关，一直是动力电池测试评价领域关注的重点。本文利用通用疲劳寿命分析软件Alphatigue进行电池包的随机振动疲劳分析。
1.有限元仿真模型
频率响应分析采用MSC.Nastran求解，分析模型的壳单元采用CQUAD4和CTRIA3单元模拟，各部件之间通过RBE2进行连接，模型总计18473个单元和18622个节点，如图1所示。
图1 车载动力电池包的有限元模型
2.电池包随机振动疲劳分析流程的模块卡片组搭建
选择Alphatigue图形界面的方式快速搭建随机振动疲劳分析流程，如图2所示。一个完整的随机振动疲劳分析流程共分为模型输入与工况选择、功率谱密度文件输入和SN求解器三部分。
图2针对电池包随机振动疲劳分析流程的模块卡片组
图3 选择有限元模型中的分析对象
4.功率谱文件输入
设置完计算工况之后，需要输入随机振动疲劳疲劳计算的载荷谱，本实验选择IS0 12405-1标准，对纵向z方向做随机振动疲劳分析，纵向z方向的PSD值如表1所示。
表1 z轴PSD值
Frequency[Hz] |
PSD[g^2/Hz] |
PSD[(m/s^2)^2/Hz] |
5 |
0.05 |
4.81 |
10 |
0.06 |
5.77 |
20 |
0.06 |
5.77 |
200 |
0.0008 |
0.08 |
RSM |
1.44g |
14.13m/s^2 |
在随机振动疲劳分析中，FRF与PSD必须是相同的单位表示。例如，如果PSD以g^2/Hz为单位，则FRF应表示在频率范围内对1g负载的频率响应。
输入完功率谱密度文件后还需对PSD随机振动分析进行设置，如图4所示。电池包的随机振动的寿命估计采用Dirlik方法，该方法是通过运用蒙特卡罗（Monte Carlo）技术做大量的计算机模拟，得出频域信号疲劳分析法的经验闭合解。Dirlik给出的经验公式已经被证明精度足够，在工程上经常采用。测试时间为21个小时，即75600秒。
图4. PSD随机振动分析设置
5.SN分析模块中的参数设置
最后需要对SN求解器中的疲劳分析参数进行设置，如图5所示。需要将通道与输入的功率谱进行匹配，并选择需要进行疲劳分析的Section的疲劳材料卡。两个Section的材料牌号分别是：Steel_UML_UTS900和Al_Alloy_UML_UTS200。Alphatigue软件内含超过500种材料和连接工艺的疲劳曲线，操作时需在“Mat Map”设置框内为不同的Section选择对应的疲劳材料卡。设置疲劳分析流程的参数，其中分析方法选择“标准SN法”，应力组合方式为“Abs MaxPrincipal”。
图5 SN求解器参数设置
6.分析结果
计算完成后，软件将自动输出结果文件。任务的后处理可以在Alphatigue自带的后处理模块中进行，包括分析结果的可视化查看、分析结果文件的导出等。同时也可以选用其他通用后处理软件打开，如Metapost软件，以查看塔包的损伤分布情况，如图6所示。最大损伤位于电池包与支架相连的部位，损伤(Damage)为0.11，寿命(Repeats)为8.81。
A:Meta后处理视图
B：Alphatigue后处理模块试图
图6 电池包随机振动疲劳分析结果
7.基于nCode的电池包随机振动疲劳寿命对比分析
基于本文所述的参数和分析方法，利用nCode对塔包进行基于实际道路载荷信号的疲劳寿命分析，计算流程如图8所示
图7 nCode电池包随机振动疲劳分析Flow
结果显示，最大损伤（Damage）为0.1172，寿命（Repeats）为8.532。基于nCode获得的结果与Alphatigue软件的结果接近，其疲劳损伤分布如图8所示。
图8 nCode电池包随机振动疲劳分析结果
8.结语
疲劳问题一直是汽车结构开发开发中的难点，影响疲劳寿命的因素较多且不易控制。本文基于Alphatigue软件，以电池包仿真模型为基础，分析了其在随机振动载荷下的疲劳寿命。结果表明，该型电池包的疲劳性能满足设计要求。
