新能源汽车BDU振动性能分析

任凯，陈建建，肖杰，王立成，项光远

(1. 南京胜捷电机制造有限公司 江苏 南京 211200； 2. 国网江苏省电力有限公司 宿迁供电分公司 江苏 宿迁 223800)

0 引言

为了解决我国能源问题，新能源汽车的发展相当重要。新能源汽车在行驶过程中，振动现象是十分普遍的，由于振动是非线性和非连续性，所以对振动的理论计算相当困难[1-3]。本文采用理论与ANSYS有限元仿真相结合的办法对新能源汽车的电池管理系统中BDU进行随机振动分析[4-6]。

1 BDU总成介绍

BDU(battery disconnect unit)作为新能源汽车的动力电池切断单元，在电动汽车的电池组件中的作用相当重要，其背部的高压接插件与电源直接相连接，控制电源输入与输出。其内部主要由继电器、铜牌、PCB板等电气元件组成，装配精度比较高[7-8]。

2 随机振动的基本原理

系统动力学基本方程：

(1)

(2)

(3)

其中，ω1和ω2为基础加速度随机激励的起始角频率和终止角频率。进行随机振动分析需要的输入是：从模态分析中得到的固有频率和振型，作用于节点上的[9-11]。

3 BDU的随机振动有限元分析

3.1 BDU有限元模型

为了减少计算量，需要对BDU有限元模型进行简化。对关键部位要细化，影响机械性能的圆角等不能舍弃，其他部位可以粗画，即把圆角都拐弯抹角的特征都删掉。但为了同时保证精度，必须满足平衡条件、变形协调条件、刚度等价、根据结构特点选取单元使其很好地反映结构的传力特点、尽可能地贴近实体模型等原则，对继电器、PCB板上零部件以及螺栓做简化，铝壳的简化结果为6个螺栓孔。模型简化后，导入有限元分析软件中，进行网格划分BDU三维简化图形如图1所示。

图1 BDU简化模型(内部)

3.2 边界条件

对于唯一模式的有限元法，在结构的边界上必须严格满足已知的位移约束条件。对连接件的边界条件设置主要在接触上面，螺栓为固定接触，且螺栓的预紧力和螺栓转矩按照螺栓预紧力标准并强度等级为8.8选取，此外还需再加上系统本身的重力因素。

3.3 模态分析

对BDU做振动分析之前，先对其进行模态分析。模态分析的主要作用是确定钢体的固有频率和振型，这些都是由钢体的结构几何形状、材料的特征属性以及约束形式决定的，外载荷对其无影响。本文提取前6阶模态，其中一阶振型沿X方向，二阶沿Y方向，三阶沿3个方面，四阶沿2个方向等，在不同方向分别对应的频率表如图2所示。

图2 模态分析结果

3.4 随机振动分析

在模态分析之后，分析结果导入振动模块中，对其施加不同频率下各个轴的功率密度谱如表1所示，求解如图3至图6所示。

表1 功率密度谱

图3 应变云图(内部)

图4 应变云图(外部)

图5 应力云图(外部)

图6 应力云图(内部)

铝壳简化为6个固定端之后，对其进行边界条件设置，基于模态分析的基础上，对BDU添加5Hz、22Hz、140Hz的频率下不同功率密度，得出振动后的应力和应变图，在图3中可以看出，最大应变在PCB板下侧，沿Y方向应变量为0.281 7mm，PCB板的形变率为0.2%。根据ISO，PC材料屈服极限为6%，因此满足应变要求。最大应力在下壳体中间和上方两侧边沿出的螺栓处，应力值为8.97Pa，在IOS527-2标准中，23°时的强度极限为100MPa，安全系数远大于3。综上，在振动后，不会出现损坏和开裂现象，满足汽车一般塑料件设计标准(QCn 29017)。

4 结语

1) 根据图2和表1可知，BDU的前6阶固有频率与振动试验中采用的功率谱密度中的其中一个比较接近，这个对结构的振动性能具有一定的不利。

2) 计算与分析证明了BDU的随机振动结果是满足产品要求的。

3) 确定了随机振动时系统的薄弱位置，并对薄弱位置的应力和应变进行计算，对考核BDU在耐久振动下的寿命具有参考作用。

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