某新能源轻卡电池热管理机组NVH分析研究

张克鹏

浙江盾安人工环境股份有限公司 浙江杭州 310051

1 前言

新能源汽车电池包的隔热散热关系到电池安全及经历长期工况后的一致性问题，影响系统安全性和可靠性。电池热管理机组作为控制电池包温度的关键部件之一，机组内部布置了大量的管路和其他零部件，这些零部件通过螺栓或焊接的方式与机组钣金框架相连。整个机组受到车辆不同运行工况下的激励载荷，如果载荷频率与电池热管理机组某一阶固有频率接近或相同，可能会引起共振，导致局部应力过大，零部件及系统可靠性大大降低。GB/T 21361-2008《汽车用空调器》对汽车用空调器振动试验的要求作了明确规定。

文中利用HyperMesh软件建立整个电池热管理机组的有限元模型，利用ABAQUS求解器进行系统的模态和谐响应分析，根据分析结果判定设计方案的可靠性和合理性。

2 电池热管理机组的有限元模型建立

2.1 几何模型建立

几何模型是建立CAE有限元模型的基础，在SolidWorks中建立如图1所示的几何模型，为便于有限元前处理，将模型导出为.stp格式。

电池热管理机组主要由安装脚、钣金框架、内部管路、板式换热器、压缩机、冷凝器、PTC加热器、风机等部件组成，电池热管理机组如图1所示。

2.2 有限元模型建立

针对电池热管理机组，笔者采用主流CAE前处理软件HyperMesh进行网格划分[1]。在进行网格划分时，根据部件的几何特征，钣金结构、管路使用壳单元，非考核部件如板式换热器、压缩机、PTC加热器、风机使用壳单元+附加质量模拟，使其质量与质心位置与实际相同。单元类型为S3和S4R, 单元基本尺寸设为10 mm；冷凝器用六面体单元，单元类型为C3D8R，单元基本尺寸设为8 mm；螺栓用MPC替代，由于模态分析及谐响应分析是线性分析技术，非线性的接触设置不起作用，因此部件间接触采用Tie模拟。最终有限元模型共有节点数62 858，单元数65 696，电池热管理机组有限元模型如图2所示，局部细节图如图3所示。

图1 某新能源汽车电池热管理机组

图2 电池热管理机组有限元模型

图3 电池热管理机组局部有限元模型

3 电池热管理机组的模态分析

模态分析用于确定结构的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。模态分析也是响应谱分析和模态叠加法谐响应分析必需的前期分析过程。模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用，是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法[2-3]。本次分析采用ABAQUS求解器及分块Lanczos方法进行求解。

3.1 材料设定

在电池热管理机组中，参照图1，其中安装脚、钣金框架、内部管路、板式换热器、压缩机、PTC加热器的材料为碳钢Q235，冷凝器的材料为铝合金3003，风机的材料为ABS塑料，计算中用到的材料属性如表1所示。

表1 电池热管理机组材料属性

3.2 约束边界条件

电池热管理机组两侧有安装脚与框架相连，每侧安装脚各有两个螺栓孔。如图4红色虚线框所示，约束螺栓孔处节点的1~6自由度。

图4 热管理机组的安装脚约束示意图

3.3 模态分析

GB/T 21361-2008《汽车用空调器》振动试验方法中规定振动试验频率为33 Hz或67 Hz。提取的模态频率范围应将其包含在内，设定提取模态数0～20阶，提交ABAQUS求解器进行求解，得到模态频率值如表2所示，若提取模态不足可重新设定更高阶数。图5为电池热管理机组前4阶模态振型

表2 电池热管理机组的固有频率

电池热管理机组通过安装脚与振动试验台相连，从模态分析结果来看，第13阶模态频率和GB/T 21361-2008《汽车用空调器》振动试验方法中规定的试验频率67 Hz一致，有可能发生共振现象。

4 电池热管理机组的谐响应分析

谐响应是结构在周期载荷作用下产生的周期响应。谐响应分析能够预测结构的持续动力特性，验证结构设计是否能克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。谐响应分析计算结构在不同频率下的响应，可以观察到峰值响应频率对应的应力。谐响应分析是线性分析技术，任何非线性特性将被忽略[4]。本次分析采用ABAQUS求解器及模态叠加法进行求解。

4.1 载荷边界条件

按GB/T 21361-2008《汽车用空调器》振动试验方法的规定，表3给出了33 Hz和67 Hz时电池热管理机组的载荷及加载方向。

表3 电池热管理机组载荷及加载方向

4.2 谐响应分析

电池热管理机组在受到加速度简谐载荷时，因框架与压缩机、换热器等零部件的固定板均是钣金结构，这些钣金件受破坏风险最大，影响安装在上面部件的安全运行。因此，文章谐响应分析时，主要考察电池热管理机组的钣金件[5]。

图5 电池热管理机组前4阶振型云图

图6～8为电池热管理机组在激励频率33 Hz时3种工况下的应力云图。从计算分析结果来看，横向X载荷工况下，其最大应力为110.5 MPa，最大应力出现在背面钣金与底壳钣金的中间连接螺栓孔附近；纵向Y载荷工况下，其最大应力为59.9 MPa，最大应力出现在板式换热器固定支架折弯附近；垂向Z载荷工况下，其最大应力为86.2 MPa，最大应力出现在板式换热器固定支架折弯附近。

图8 33 Hz纵向Z工况应力云图（应力/MPa）

图9～11为电池热管理机组在激励频率67 Hz时3种工况下的应力云图。

从计算分析结果来看，横向X载荷工况下，其最大应力为53.7 MPa，最大应力出现在正面钣金与进出水口相连位置；纵向Y载荷工况下，其最大应力为75.5 MPa，最大应力出现在板式换热器固定支架折弯附近；垂向Z载荷工况下，其最大应力为111.9 MPa，最大应力出现在出口管和高压加注口相连位置。

两种激励频率、3个载荷方向工况下，电池热管理机组的最大应力均未超过其材料的屈服强度235 MPa。

5 结语

文章以某电池热管理机组为研究对象，运用SolidWorks建立了机组几何模型，利用HyperMesh建立了有限元模型，在此基础上，用ABAQUS求解器进行了模态分析和谐响应分析。分析表明，各工况下机组最大应力均未超过材料屈服强度，整体满足设计要求。

图9 67 Hz横向X工况应力云图（应力/MPa）

图10 67 Hz垂向Y工况应力云图（应力/MPa）

图11 67 Hz纵向Z工况应力云图（应力/MPa）

文章对某新能源轻卡电池热管理机组进行模态分析后，发现机组存在与试验频率67 Hz相同的模态频率，后期还需进行优化设计，避开共振区域。