基于Hyperworks的船用锂电池组模态分析

骆海民

摘 要：新能源船舶的应用是解决船舶污染的重要方法之一，锂电池组具有成熟的技术与广泛的工程应用为新能源船舶提供了绿色解决方案。针对锂电池组的三维模型，开展模态分析一方面能够分析结构设计的安全性，另一方面能够缩短产品开发验证周期。利用Hyperworks软件分析船用锂电池组的模态，并结合汽车工程常用判据对分析结果进行分析，分析结果快速有效，为船用锂电池结构安全性与可靠性分析提供了解决思路。

关键词：船舶污染；锂电池；模态分析；Hyperworks

中图分类号：G4 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.33.088

0 引言

船舶污染是环境污染的重要污染源之一。船舶在航行、港口停泊、货物装载、航海事故中都会产生污染物或者废弃物对周围水环境和大气环境产生污染。船舶污染具有多样性、流动性、侵权性和危害性的特征。近年来，绿色新能源技术引入到船舶的能源应用与管理中，以锂电池技术为代表的新能源技术应用，一方面可以提升能源的利用效率，另一方面能够极大的降低環境的污染。船舶行业的可持续发展是我们共同追求的目标，船舶能源的绿色化才能带来绿水青山和金山银山。

1 锂电池组模态分析

船舶运行维护环境较为复杂，一旦遇到极端环境或者人为事故，造成的设备损坏维修及事故处置基本依赖船员。而锂电池组的可维修性与安全性是近年来研究的热点。锂电池组在船舶中的运用有别于汽车，例如汽车的锂电池组由于碰撞引发的火灾，驾乘人员可以迅速逃生至安全区域。然而船舶锂电池组一旦发生此类事故，后果不堪设想。

目前中国船级社针对锂电池组在船舶当中的应用，出台了一系列的规范和指南。指南中的关于安全性的引用标准已车用标准和欧标为准。车用标准中，为保证电池组在极端情况下及车间生产物料转运发生意外的情况下处于安全，需开展结构安全性分析。

在船用锂电池组结构安全性分析中，模态分析是其中重要的组成部分。模态分析是一种根据确定结构振动特性的技术，运用结构运动学和有限元分析方法，分析结构的固有频率及其结构动力学特征的方法。依托模态特征的分析，规避引起共振的风险，提高产品寿命，降低振动和噪声。

2 基于Hyperworks的船用锂电池组模态分析

船用锂电池组由箱体、电芯、BMS从控、接插件四种结构组成的三维仿真模型，对各个部件之间的连接关系进行分析。

对整个锂电池组的模型进行简化，其中忽略橡胶垫、电线、铜牌、水冷系统等对结构分析影响很小的结构和单元；焊接处采用单元节点耦合模拟；采用同体积等效密度的实体单元模拟单体锂电池，模组固定采用螺杆连接；整体约束电池包外围6处安装支座。

3 有限元分析结果

船用锂电池组结构模态的分析结果如图所示。从结果分析来看，X方向大质量模态为第11阶，主频率为105Hz；Y方向大质量模态为第7阶，主频率为838Hz；Z方向大质量模态为第1阶，主频率为55.1Hz。

根据船舶实际应用工况分析，低频的振动概率较大，船用锂电池组的低频振动需要更加关注。若锂电池组的低频模态接近船舶振动的振动主频，则锂电池组的结构件易发生疲劳失效，极大降低结构件的使用寿命。

X轴、Y轴、Z轴方向中，Z轴方向的模态55.1Hz，按照汽车工程经验，模态低于50Hz时结构件增加疲劳失效的风险，但是船舶的低频振动频率由波浪产生，频率远低于汽车的道路振动频率。因此，模态最低的Z轴方向模态是安全的。

4 结论

本文以船用锂电池组为研究对象，通过建立的三维模型利用模型简化方法对模型进行简化，减少计算单元，利用Hyperworks建立有限元模型，并且添加约束；通过仿真计算得到X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的模态，并以汽车工程经验值为阈值进行判定，仿真计算结果证明三个方向的模态均大于安全值，意味着结构的设计是合理可靠的。

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