动力锂电池pack设计中结构仿真.doc

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