基于FEM的电动汽车快换电池箱模态分析与优化

储 毅，刘华锋，赵明宇，王 刚，路致远

(中国电力科学研究院 南京分院，南京 210061)

0 引言

电动汽车快换动力电池箱是应对现有电动汽车续航时间短、充电时间长而出现的电动汽车运行模式。快换动力电池箱是电动汽车动力电池的载体，包括整体框架、电池、BMS系统、连接器和线缆组成。快换动力电池箱起到固定电池的作用，并在电动汽车运行过程中为电池提供良好的运行环境。由于快换动力电池箱随着电动汽车一同运行，所以必须要考虑快换动力电池箱的振动特性。避免设计过程中出现电池箱振动过大导致的电池及相关附件的损坏。

针对电动汽车的研究，国外主要针对BIW[1]和NVH[2]进行研究,由于国外没有快速换电形式的电动汽车，故此方面的研究处于空白。国内针对此现状提出了电池快速更换的方法，也在这方面进行了很多有益的研究，桑林等人对电池箱进行了振动方面的实验，得出了路试条件下的功率密度参数[3]。张永峰等人研究快换电池箱防脱技术，提高了电池箱的安全性[4]。

基于FEM电动汽车快换电池箱的振动仿真分析还较少，本文通过对电池箱的仿真分析，得出自由模态和约束模态下电池箱的振型和模态参数，并对电池箱优化提出意见，已满足电池箱在实际运行过程中的各项要求，保证电动汽车的安全运行。

1 电池箱的模态分析理论基础

机械结构的固有振动特性称为模态，固有频率、阻尼比和振态模型是每一阶模态固有的性质。模态分析的经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数[5]。

多自由度直接法的方程一般为：

式中， X(t)，X'(t)和X"(t)分别为系统的位移、速度和加速度矩阵，{p(t)}为激振力矩阵。M、K和C分别称为系统的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。

由于系统阻尼影响较小，故将其简化为线性时不变系统，将式（1）进行拉氏变换，可得：

式（3）即为系统位移阻抗矩阵，式（4）即为传递函数矩阵。

在线性时不变系统中，系统响应是各阶模态响应的线性组合，故：

对于无阻尼和比例阻尼系统，模态矩阵?正交，故式（2）变为：

式（1）可表示为：

电动汽车快换电池箱的现有结构采用钣金件焊接而成，由于其结构的复杂性并且包含众多大面积薄壁钢板，可以在一定条件下简化成离散的多自由度系统[6]。电动汽车动力电池箱是复杂的机械结构，对电池箱建立整体数学模型解析模态很难实现，因此利用有限元软件进行求解。

2 有限元模型的建立

本文利用Hypermesh结合MSC.NASTRAN的方式对动力电池箱进行分析。首先，将建立好的三维模型导入Hypermesh进行网格划分。整体网格数62400，单元类型为六面体单元，如图1所示。

电池箱采用普通结构钢，材料属性如表1所示。

由于电池箱为满足快换需要，将结构分为内外箱，故在分析过程中将分析自由模态和约束模态两种情况。内箱1和外箱2通过锁3和一对销4链接，二者的电气连接通过连接器5完成。在内箱和外箱之间的销连接处采用刚度为1000N/mm的弹簧进行夹紧。而电池作为主要质量来源共有32块，每块质量5.6kg，如图2所示。

3 电池箱的模态分析结果

根据Lanczos Method，计算得到电池箱的自由状态下的模态如表2所示。

图2 电池箱结构示意图

表2 电池箱模态对应表

自由模态分析过程中，由于模型存在6个自由度，所以模态分析前6阶频率几乎为0，即模型具有6阶刚体运动模态，故Nastran计算结果的前6阶几乎为零[5]。第7阶开始是本文需要研究的振动特征。

电动汽车的振动主要来源于驱动电机的振动[6]、路面颠簸的振动以及其他部件的振动，频率主要集中在30Hz以下。故本文对30Hz以下的模态进行重点研究。

图3 电池箱自由模态振型图

从图3可以看出，在频率小于30Hz的情况下，电池箱振幅最大位置出现在电池箱上盖板（即图2红色盖板），这个频率阶段与汽车振动源频率相近，很容易引起振动，所以在上盖板除必须提高其刚度。

以上为自由模态下电池箱的振型分析，为进一步确认危险位置，将上盖板隐藏，观察整个电池箱振型，如图4所示。

图4 电池箱自由模态振型（去掉上盖板）

由图4可以看出，图3的结论是基本正确的。除上盖板以外的部分，振幅远远小于上盖板处振幅，故自由模态下的电池箱振动危险位置在上盖板处。

自由模态分析初步显示了电池箱的振型，但是实际情况往往并不是自由模态，所以，本文对约束模态下的电池箱进行分析。本文根据实际情况在电池箱锁处和内外箱销链接处设置接触，将内箱固定在外箱上进行约束模态分析，而由于前述结论，将上盖板隐藏，避免振幅过大引起的计算发散，分析得到振型结果如图5所示。

从图5可以看出，隐去上盖板，电池箱振型较小，但是危险位置出现在电池箱内箱中部隔板出，故应加强此处刚度。

图5 电池箱约束模态振型（去掉上盖板）

4 结果分析与优化

本文通过对电动汽车动力电池箱的振动性能进行分析，得出动力电池箱在关注频率内的模态分析结果。

根据上述结果，可以得到如下结论：

1）自由模态的分析结果显示：电池箱振动最大位置出现在电池箱内箱上盖板，并且振幅非常大，此处结构上属于刚度最薄弱处，必须给与加强。而除去上盖板的分析结果表明：其余零件的模态振型均较小，没有明显的刚度不足处，说明设计较为合理。

2）约束模态的分析结果表明：除去上盖板，在比较关心的20Hz领域电池箱内隔板的振动幅度较大，也属于薄弱部件，由于此处关系到内部电池的固定，对电池抗振性能有较大影响，故在结构优化中也必须加以高度重视，进行加固。

5 结论

根据以上分析结果，对快换电池箱进行优化，大大提高了快换电池箱的抗震性能，相关产品已经通过检测，并成功进行了路试。相关产品已经被长春、四川等相关项目采用，受到了用户的肯定。

[1] Mundo D，HadjitR. Simplified Modeling of Joints and Beamlike Structures for B1W Optimization in a Concept Phase of the Vehicle Design Process. Finite Elements in Analysis and Design, 2009, 456-462.

[2] Shahram Azadi1, Mohammad Azadi2, and Farshad Zahedil,NVH analysis and improvement of a vehicle body structure using DOE method, Mechanical Science and Technology[J], 23 (2009) 2980-2989.

[3] 桑林, 李志明, 潘成. 电动汽车动力蓄电池箱振动特性试验研究[J], 电子测试, 2011, 12.

[4] 张永峰, 张洋, 朱云霄.电动汽车快换电池箱闭锁机构防脱技术研究[J]. 数字化仿真技术, 2011, 2.

[5] 傅志方, 华宏星. 模态分析理论与应用[M].上海:上海交通大学出版社, 2000.

[6] 靳晓雄, 张立军, 江浩. 汽车振动分析[M].上海: 同济大学出版社, 2002.

[7] 白坤雪, 尹韶平. 基于HyperMesh和Nastran的鱼雷还水管有限元分析[J]. 鱼雷技术,2012,20(1):14-18.

[8] 曹勇, 乐玉汉, 姚泽胜. 基于NVH性能的电动汽车车身模态匹配与优化[J]. 上海汽车, 2011, (5): 29-32.