储能系统用母线排电场及静力学仿真分析

杨 钊 董 瑞 王 莉 张玉荣 李亮亮

储能系统用母线排电场及静力学仿真分析

杨 钊 董 瑞 王 莉 张玉荣 李亮亮

（西安西电高压开关有限责任公司，西安 710018）

储能集装箱内的母线排主要用于电池模块的充放电作业，充放电过程中的电压和电流往往较大，若母线排的空间布置不合理，很有可能由于绝缘距离不够而造成对地击穿；或者因为结构强度设计不合理，在运输、充放电过程中产生结构变形或破坏，影响储能集装箱的运行可靠性。本文以储能集装箱内母线排为例，介绍母线排的主要结构与工作情况，并使用有限元分析软件Ansys Mechanical APDL对母线排在充放电时的电场分布进行分析。为了验证母线排结构强度是否满足使用要求，使用Ansys Workbench对母线排在运输、作业、共振等工况下的受力情况进行分析，结果验证了此种储能集装箱母线排结构的合理性，可为同类电气零部件设计提供参考。

母线排；电场强度；屈服强度

0 引言

储能集装箱内的母线排主要用于电池模块的充放电作业，是储能集装箱的重要组成部分之一，它的可靠运行将直接影响储能系统的稳定性。由于母线排在电池充放电过程中的电压与电流较大，在母线排的设计过程中，必须考虑其空间布置是否满足电气绝缘要求[1]。在母线排的结构强度方面：一是要考虑母线排随集装箱运输时在重力加速度、转弯侧向加速度、刹车制动加速度作用下的变形与应力；二是要考虑母线排作业时在重力加速度、地震力及电动力作用下的变形与应力；三是要考虑母线排的固有频率，在运输和作业时尽量回避，保证结构的稳定性。

本文以某储能集装箱母线排为例，基于Ansys软件的电场与静力学仿真分析模块，通过AutoCAD和UG软件建立二维电场分析模型和三维结构力学分析模型，设定相应的边界条件与力学载荷，对集装箱内母线排系统在不同工况下的电场及结构强度进行分析，并将最终的仿真结果与各种材料的理论极限值进行比对，以验证母线排结构设计的合理性，为此类电气设备的设计提供参考。

1 母线排结构与工况分析

储能集装箱内的母线排结构示意图如图1所示，共包括4种主要部件：瓷质绝缘子、铜母线排、环氧树脂板、环氧树脂角板。铜母线排总共有“+”极和“-”极两根，使用螺栓将环氧树脂板和环氧树脂角板固定在“+”极和“-”极铜母线排之间，保证“+”极和“-”极铜母线排之间的相对稳定与绝缘距离。铜母线排上部连接有瓷质绝缘子，再通过螺栓将瓷质绝缘子固定在储能集装箱的天花板（金属材质）上，利用瓷质绝缘子的结构稳定性及绝缘性，保证整个母线排系统的相对固定及相对于集装箱天花板的绝缘性。

图1 母线排结构示意图

母线排在电池进行充放电的过程中需要考虑的工况主要有：①母线排带电后的电场强度分布与绝缘情况；②母线排结构在正常运输、作业时的受力和变形情况，以及母线排在此种工况下应回避的固有频率。

为获得上述工况下母线排的工作状态，需对母线排结构进行电场和静力学结构分析，验证其空间布置及结构的合理性。

2 电场分析

电场分析的步骤有：建立模型、指定材料、划分网格、施加边界条件、求解、结果后处理[2-3]。Ansys Mechanical APDL电场仿真分析的流程如图2所示。

由于储能集装箱是一个比较规则的长方体，其内部结构沿长度方向基本一致，那么仅需要截取储能集装箱某一段的横截面进行二维的电场分析，就可以说明母线排在带电后的电场强度分布情况[4]。

图2 电场仿真分析流程

储能集装箱舱体的横截面如图3所示，除了母线排系统中包含的瓷质绝缘子、铜母线排、环氧树脂板、固定螺栓外，还包含电缆槽盒、电池架、集装箱舱体。

图3 储能集装箱舱体横截面

为了满足充放电作业时的容量要求，储能集装箱中的电池模块往往需要各种形式的串联与并联，这样就会在母线排上产生一个较大的电压，本文中的母线排系统在充电时的最大终止充电电压约为900V，下面以20℃和一个标准大气压为环境条件，对母线排在最大充电电压下的电场进行分析。

使用Ansys Mechanical APDL进行电场仿真所需的二维模型可通过AotoCAD或CAXA进行绘制，绘制完成后保存成igs格式导入Ansys Mechanical APDL中。模型除了包含储能集装箱舱体横截面内的各部件外，还需要建立相应的求解域，一般以模型的外轮廓为基础，向外延伸5倍的轮廓线距离作为求解域的边界。

在进行电场分析时，电场强度的分布除与电压有关外还与带电体周围物体的材质有关，由于各种材质的介电常数不同，导致带电体周围的电场在各种物质上呈现出不同的分布状态，本文所述储能集装箱舱体内各零件介电常数见表1。

表1 舱体内各零件介电常数

在进行电场分析时，可以使用Ansys Mechanical APDL内默认的自动划分模式对模型进行网格划分。

由于舱体、电池架及电缆槽盒最终均会接地，故在舱体、电池架及槽盒上施加0V电压，在求解域的边缘处也施加0V电压，在铜母线排上施加+900V的电压。施加完以上边界条件后即可对模型进行求解。求解完成后，对结果进行后处理，使其显示出母线排周围的电压和电场强度分布，分别如图4和图5所示。

图4 母线排周围电压分布

由图4可知，当母线排带有900V最大充电终止电压时，在铜母线排的边缘、绝缘子的上伞裙处出现了电场集中的现象，但该处的电场强度仅为137V/mm，远小于空气的击穿强度3kV/mm，也远小于陶瓷的击穿强度14kV/mm，说明本文所论述的母线排结构与周围其他零部件间的距离满足电气绝缘的要求。

图5 母线排周围电场强度分布

通过图5可知，当母线排周围间距在2～4mm（根据CAD图纸测量所得）时，电场强度分布较集中。因此，为验证母线排与舱体间的安全距离，对同等条件不同间距下的母线排结构进行仿真。不同间距下母线排周围电场强度分布如图6～图8所示，当母线排与舱体顶面距离3.5mm时，最大电场强度约为2.7kV/mm；当母线排与舱体顶面距离3.2mm时，最大电场强度约为2.9kV/mm；当母线排与舱体顶面距离3mm时，最大电场强度约为3.2kV/mm。由此可以确定在900V的电压下，此种母线排结构对舱体的安全距离约为3.2～3.5mm，但可以确定当间距大于3.2mm时是绝对安全的。由于瓷质绝缘子尺寸限制，以及母线排受力变形的影响，本文所述母线排结构的空间布置已是最优状态。

图6 间距3.5mm时母线排周围电场强度分布

3 静力学结构分析

Ansys Workbench静力学仿真分析流程如图9所示。从图9可知，静力学结构分析的步骤有：建立三维模型、指定材料、划分网格、施加约束及载荷、求解、结果后处理[5-6]。

图7 间距3.2mm时母线排周围电场强度分布

图8 间距3mm时母线排周围电场强度分布

图9 静力学仿真分析流程

在进行母线排的静力学结构分析时，仅需要针对母线排自身的结构进行分析，并不需要将整个舱体及其他零部件一同导入Ansys Workbench中计算。本文母线排的结构计算需要考虑三种工况，即运输工况、作业工况和产生共振的工况。

在运输工况下，引起母线排产生变形和应力的载荷主要有重力加速度、转弯侧向加速度、刹车制动加速度；在作业工况下，引起母线排产生变形和应力的载荷主要有重力加速度、地震力及母线排通电后的电动力；母线排的共振是母线排的固有属性，无需外加载荷。

在进行上述三种工况下的静力学结构计算时，Ansys Workbench提供了可以进行关联的数据共享设置，仅需在第一种工况下对母线排进行模型导入、指定材料、网格划分的操作，其余两种工况可以通过分析模块的拖拽实现数据及设置的共享，如图10所示。

图10 三种工况的数据及设置共享

使用Ansys Workbench进行静力学分析所需的三维模型可通过Solidworks或UG进行创建，模型主要包括瓷质绝缘子、铜母线排、环氧树脂板、环氧树脂角板。创建完成后保存成x_t格式导入Ansys Workbench中。

在进行静力学结构分析时，各零件的材料是影响母线排变形和应力大小的主要因素之一。本文所述储能集装箱舱体内各零件材料属性见表2[7]。

表2 舱体内各零件材料属性

使用Ansys Workbench内默认的自动划分模式对模型进行网格划分。在给模型施加载荷及约束时，需根据不同的工况进行施加。

3.1 运输工况

母线排安装于集装箱内的天花板上，使用固定螺栓将母线排上的8个绝缘子与集装箱舱体天花板进行连接。在运输工况下进行母线排强度分析时，可以将母线排上的8个绝缘子上顶面进行固定，然后施加相应的极限运输载荷进行计算。运输工况下母线排所承受的载荷见表3。

表3 运输工况下母线排所承受的载荷

完成上述设置与处理后，即可对母线排结构进行求解及后处理，使其显示出母线排系统中各零件在运输工况下的变形与应力，分别如图11～图14所示。

图11 瓷质绝缘子的变形和应力（运输工况）

图12 铜母线排的变形和应力（运输工况）

图13 环氧树脂板的变形和应力（运输工况）

图14 环氧树脂角板的变形和应力（运输工况）

3.2 作业工况

母线排在充放电作业时，可能承受的极限载荷有重力加速度、地震力及电动力，并需考虑一定量的安全系数。

由于两根母线排是平行的，且电流方向相反，那么两铜母线排间的电动力为互斥的相互作用力。平行导体间电动力的计算公式[8]为

式中：为电动力；1、2为两根铜母线排中的电流；为两根铜母线排的长度；为两根铜母线排间的距离。

由式（1）可知，电动力的大小随母线排上电流的变化而变化，当母线排上出现最大极限电流时，母线排的电动力最大。当储能集装箱电池组发生直流短路时，母线排上就会出现最大极限电流，即储能系统直流短路电流，那么1和2均按储能系统直流短路电流取值。电动力计算所需参数见表4。将表4中的参数代入式（1），可得电动力≈145.1N。

表4 电动力计算所需参数

结合上述计算，在进行母线排充放电作业结构强度分析时，仍将母线排上的8个绝缘子上顶面进行固定，按照表5的数据对母线排施加载荷。

表5 作业工况下母线排所承受的载荷

完成上述设置与处理后，即可对母线排结构进行求解及后处理，使其显示出母线排系统中各零件在作业工况下的变形与应力，分别如图15～图18所示。

3.3 产生共振时工况

任何物体的固有频率都是它自身的固有属性，无需外加载荷与约束，使用模态分析对母线排系统进行固有频率计算。

图15 瓷质绝缘子的变形和应力（作业工况）

图16 铜母线排的变形和应力（作业工况）

图17 环氧树脂板的变形和应力（作业工况）

图18 环氧树脂角板的变形和应力（作业工况）

完成上述设置与处理后，即可对母线排结构进行求解及后处理，使其显示出母线排的固有频率，如图19所示。

图19 母线排系统的固有频率

对母线排系统的运输、作业工况下结构的仿真结果进行统计分析，分析结果见表6。

表6 运输、作业工况下母线排系统结构的仿真结果

3.4 试验验证

对母线排系统进行模态分析，可以得到母线排系统的固有频率为2.33×10-3Hz、0.432Hz、0.573Hz、2.552Hz，那么在母线排系统随集装搬运或作业过程中，需要尽量回避上述4个频率。储能集装箱在作业时不会产生周期性激励，仅在运输过程中会承受车辆发动机产生的振动，而车辆发动机产生的振动范围一般为16～125Hz，与母线排的4个共振频率相差很大，因此不会引起共振。

为验证上述分析的正确性，将母线排安装在集装箱内，对母线排进行吊装（CSC认证）及颠振试验，如图20和图21所示。

图20 CSC吊装试验

图21 运输颠振试验

经过试验验证，在吊装及颠振运输（加速度为4）状态下，母线排未产生明显变形及破坏，说明此母线排结构合理，满足使用要求。

4 结论

本文以某储能集装箱内的母线排为研究对象，使用AutoCAD和UG软件建立二维电场分析模型和三维结构力学分析模型，并使用Ansys Mechanical APDL和Ansys Workbench软件对集装箱内母线排系统在不同工况下的电场及结构强度进行分析，并将最终的仿真结果与各种材料的理论极限值进行比对，得到以下结论：

1）根据电场仿真的结果，可以判定本文论述的母线排结构与周围其他零部件间的距离满足电气绝缘的要求，空间结构布置合理。

2）根据静力学结构仿真的结果，可以判定母线排结构中的各零部件在运输及充放电作业时所承受的应力远小于其极限破坏强度，说明该母线排结构强度满足使用要求。

3）由于储能集装箱在作业时没有周期性振动激励，那么仅需将母线排模态分析的结果与储能集装箱在运输过程中可能承受的振动频率进行对比，二者相差很大，故母线排结构在运输及作业过程中不会产生共振，结构状态稳定。

[1] 电力工程直流电源系统设计技术规程: DL/T 5044—2014[S]. 北京: 中国电力出版社, 2015.

[2] 田冀焕, 沙彦超, 周远翔, 等. 800kV等级高压隔离开关的交、直流电场仿真计算[J]. 高电压技术, 2011, 37(5): 1216-1223.

[3] 张俊林, 张晋军, 谢津卉. 基于ANSYS的电机电磁场计算软件的开发和应用[J]. 机械设计与制造, 2007(5): 74-76.

[4] 李歆蔚, 黄杨珏, 谭令其. 支柱绝缘子对交流滤波器断路器电场分布的影响研究[J]. 电气技术, 2021, 22(8): 73-77.

[5] 武敏, 谢龙汉. ANSYS Workbench有限元分析及仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014.

[6] 邬华明, 王生楠. 基于ANSYS的钻杆的有限元静力分析[J]. 航空计算技术, 2010, 40(3): 61-64.

[7] 单桂芳, 杨伟, 冯建民, 等. 材料泊松比测试方法的研究进展[J]. 材料导报, 2006(3): 15-20.

[8] 徐国政, 张节容, 钱家骊, 等. 高压断路器原理和应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2000.

Electric field and statics simulation analysis of busbar for energy storage system

YANG Zhao DONG Rui WANG Li ZHANG Yurong LI Liangliang

(Xi’an XD High Voltage Apparatus Co., Ltd, Xi’an 710018)

The busbars in the energy storage container are mainly used for charging and discharging the battery. There are often large voltages and currents during the charging and discharging process. If the layout of the busbars is unreasonable, it is likely to discharge which is caused by insufficient insulation distance, or because of unreasonable structural strength design, structural deformation or damage occurs during transportation, charging and discharging, which affects the operational reliability of the energy storage container. This article takes the busbar in an energy storage container as an example, introduces the main structure and working conditions of the busbar, and uses Ansys Mechanical APDL to analyze the electric field distribution of the busbar during charging and discharging. In order to verify whether the strength of the busbar structure meets the application requirements, Ansys Workbench is used to analyze the force of the busbar in transportation, operation, resonance and other working conditions. Through analysis, the structural rationality of this kind of energy storage container busbar is verified, which provides reference for the design of similar electrical components.

busbar; electric field strength; yield strength

2021-09-30

2021-10-18

杨 钊（1987—），男，陕西咸阳人，硕士，主要从事高压电器、分布式园区微电网、直流配电网等设计工作。