动力锂电池pack设计中结构仿真.doc

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动力锂电池pack设计中结构仿真

动力锂电池pack设计中结构仿真   [摘 要]锂电池Pack结构设计需要保证车辆在各种工况下运行时,电池包的强度、刚度始终处在安全的范围内,从而保证整车的行驶安全和长寿命。锂电池Pack设计中往往会借助结构仿真(FEA)来辅助工程师完成pack结构仿真设计,本文从现状出发,介绍了锂电池pack结构仿真设计中的必备理论知识以及仿真工具,并深入研究了结构仿真的基本理论 [关键词]锂电池pack;结构;仿真;FEA 中图分类号:U469.72 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)06-0106-01 1 仿真在电池系统中的作用与意义 结构仿真即有限元分析(Finite Element Analysis,FEA),它利用数学近似的方法对系统对象进行模拟,其做法是将结构划分成有限个相互连通的子区域,即单元,用有限数量的单元去逼近真实的系统,将复杂系统简化后求出近似解,因而这种近似解能满足工程应用的需求 电池系统Pack作为电动汽车的“心脏”,须保证其在设计寿命周期内既能提供持久稳定的动力,又不能存在安全隐患,要在低成本和短时间内确保电池系统机械结构性能满足要求,就要采用结构仿真,仿真分析大致可以归结为以下几点:第一,对结构进行拓补优化,指出哪里需要布置材料,哪里不需要布置材料,确保概念设计的初期使设计朝着正确的方向推进;第二,能及时地发现结构存在的强度和刚度问题,并给出优化的方向;第三,能够确保认证测试一次性通过,缩短开发时间和节约开发成本 2.基础知识和常用仿真工具介绍 2.1 仿真工程师必备的知识 在电池系统设计中,要灵活有效地运用结构仿真技术,结构仿真人员至少应具备以下三个方面的技能和经验: 1)坚实的理论基础,包括力学理论和有限元理论 2)必要的程序使用经验,对常用的商业有限元分析程序能够熟练应用 3)丰富的工程实践经验。对于不同的问题能够进行简化,并能够反映实际问题,结合自己累积的工程经验对分析的问题给出判断和方案 2.2 热流体仿真软件介绍 目前主要的有限元软件有很多种,在汽车行业比较常用的仿真软件有ANSYS系列产品,Hyper Works系列产品,MSC系列产品、Abaqus软件等 3.电池系统仿真分析的基本理论 3.1 静力学分析 静力学分析是电池系统仿真分析中使用频繁的手段,主要用于求解与时间无关或时间作用效果可以忽略不计的载荷响应(如集中力、强制位移、重力加速度、温度等) 在静载作用下,结构的受力状态可以描述为以下公式: 式中,K为结构的刚度矩阵;U为位移矩阵向量;P为作用在结构上的载荷向量 此方程实际上是外力和内力的平衡方程 一般在评价电池系统结构和刚度时会采用静载荷分析,主要要求在1g和3g加速度工况下,电池系统的最大变形量分别不能超过1mm和3mm 3.2 模态分析 模态分析是研究电池系统结构最常用的方法。模态是电池系统的固有振动特性,电池系统结构在特定频率下的变形形式即为振型,该特定频率是电池系统结构的固有频率。对电池系统结构进行模态分析,就能够知道每个轴向对应的共振主频,就可以与振动功率谱密度(PSD)曲线对比,从而大致判断结构在该振动PSD下振动相应是否会导致结构发生疲劳失效 模态分析实际上就是解自振动结构的平衡方程,求特征值。具体的方程式如下: (K-λM)X=0 式中,K为结构刚度矩阵;M为质量矩阵;λ是特征值矩阵。实际中模态分析通常不考虑阻尼效应。求解特征值问题可以得到n个特征值λi,向量X是与特征值对应的特征向量,这些特征值向量构成一个线性空间的一组正交基,一个有限元模型的任意变形都可以由这组基的线性叠加来表达。得到λi后可以根据下式求得自然频率fi: 模态分析的主要作用:获得电池系统结构的共振主频及阵型,用于振动测量和结构动力学分析,可以基于模态试验的结果来修正仿真模型,使简化模型与实际系统更为接近,也可基于模态分析结果来指导测试传感器的布置,其他后?m的动力学分析都可以在模态分析结构的基础上进行 模态分析对于电池系统来说尤为重要,电池系统的振动性能在很大程度上会影响整车的NVH和疲劳性能。因此电池系统在设计时需要避开路谱载荷里面的共振频率点,尽可能提高电池系统的一阶固有频率和一阶共振频率。GM对电池系统的第一阶频率要求大于30Hz,而基于GMW16390的台架试验,要求一阶共振频率大于35Hz 3.3 随机振动分析 当结构受到不确定性的连续载荷激励时,其振动规律不能用确定性函数来表示,只能用概率和统计的方法来描述,这种振动被称为随机振动 汽车行驶时,路面的凹凸不平造成电池系统经历这种随机振动的载荷工况,通过采集路谱信息只能

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