考虑精确电池单元体动力学建模的电动汽车动力电池包振动分析

噪

NOISE声与振动控制ANDVIBRATIONCONTROLVol38No.Z1

Apr.2018

文章编号：1006-1355(2018)Z1-0019-05

考虑精确电池单元体动力学建模的电动汽车

动力电池包振动分析

陈

雨，陈

南，张

宁，琚安建

（东南大学机械工程学院，南京2111）

摘要：从仿真与实验两方面对电动汽车电池包进行振动分析，主要立足于模态分析的角度，分别对电动汽车动力电池包的精确模型和简化模型进行约束模态的仿真，得到动力电池包两种模型的固有频率。把仿真所得的动力电池包两种模型的固有频率与实验所得的固有频率进行对比，得出简化模型的优缺点；同时根据固有频率，可以使设计人员在设计时避开这些频率或者最大限度地减少对这些频率上的激励，从而消除过度振动和噪声；并验证仿真模型的正确性，为整体动力电池包的分析提供依据。

关键词：振动与波；电池包；振动；模态；仿真；动力学建模。

中图分类号：TB115

文献标志码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.Z1.004

VibrationAnalysisofElectricVehicleBatteryPacksbasedon

aPreciseDynamicModelofBatteryUnits

CHENYu,CHENNan,ZHANGNing,JUAnjian

(SchoolofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing2111,China)

Abstract:Vibrationofelectricvehiclebatterypackswasanalyzedbynumericalsimulationandexperiment.Therefinedmodelandthesimplifiedmodeloftheelectriccarbatterypackwereestablishedandtheirconstraintmodalsweresimulatedrespectively.Thenaturalfrequenciesofthetwomodelswereobtained.Comparingthesimulationinherentfrequencyresultsofthetwomodelswiththeexperimentinherentfrequencyresult,theadvantagesanddisadvantagesofthesimplifiedmodelwasfound.Meanwhile,thecorrectnessofthemodelsimulationswasverified.Thesimulationandtestresultscanhelpengineerstoavoidtheinherentfrequenciesorminimizetheincentivesattheseparticularfrequenciesintheirdesigningsoastoeliminateexcessivevibrationandnoise.Thisworkprovidesatheoreticalbasisfortheanalysisofthewholebatterypacks.

Keywords:vibrationandwave;batterypack;vibration;modal;simulation;dynamicmodeling

随着能源短缺、气候变化和环境污染等问题的日益严重，纯电动汽车的发展得到了越来越多的重视[1]。纯电动汽车应当具备优良的驾驶性能和高的可靠性，动力电池包作为纯电动汽车的关键部件，结构相对复杂，将承受来自路面对汽车并最终传递到其上的各种冲击载荷以及激励。因此，一个动力电池包的结构必须符合机械耐久性和电气耐久性，并能经受住相关振动测试[2]。

收稿日期：2018-03-04基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375086)作者简介：陈雨（1993-），男，安徽省芜湖市人，硕士生，主要

研究方向为电动汽车电池包结构。

通信作者：陈南，男，博士生导师。

E-mail:nchen@seu.edu.cn

振动分析主要包括：模态分析、正弦定频试验、正弦扫频试验以及振动疲劳分析等。本文主要从模态分析的角度对动力电池包进行振动分析。模态分析用于确定结构的固有频率，可以使设计人员在设计时避开这些频率或者最大限度地减少对这些频率上的激励，从而消除过度振动和噪声[3]。从虚拟仿真与实验测试两方面对电动汽车动力电池包进行模态分析。虚拟仿真即用有限元的方法进行数值模拟和仿真[4–5]。通过对虚拟仿真与实验测试的结果进行对比分析，不仅可以确定电动汽车动力电池包固有频率、振型、阻尼比等，还可确定较为准确的建模方案，获得较高的仿真可信度。另外，在对试验的动力电池包进行设计改进时，可以基于获得的较为准确的建模方案进行设计仿真，为以后的设计提供方便。

20噪声与振动控制第38卷

对于电动汽车动力电池包振动的仿真实验，目前通行的做法以及简化方法是对动力电池包的模型进行简化处理：为了模拟电池块以及其他电池包内部零件的质量，在电池包箱体底板上添加均布的质量点，并且所添加质量点的总重等于电池块及固定结构的重量[6–9]。

但这种过于简化的模型往往会产生一些可预见的问题：

(1)较多参考文献中都是按照此种方法对电池包模型进行简化，但这些参考文献中并没有说明这样简化的依据以及简化之后可能造成的误差；

(2)当电池块质量一定时，安装在底板上位置不一样，会对电池包模态造成一定的影响，但按照这种简化之后的结果都是一样的；

(3)电池包内部各个部件都有各自的动力学响应特性，而简化模型未反应出来，仿真结果看不出电池包内部各个部件的动态响应特性。为此，本文考虑精确电池单元体动力学建模，尽可能精确地按照动力电池包实物进行动力学建模，根据精确的动力学建模进行模态仿真实验。然后把精确模型和简化模型分别进行模态仿真试验，所得出的仿真实验结果与电动汽车动力电池包约束模态实验结果进行对比，得出结论。

1动力电池包结构

采用自主设计的动力电池包，针对目标设计电池的容量，利用PF18650单体锂离子电池，经串并联组合成为动力电池包[10]。单个电池称为电池单元，所设计的18并联6串联称为电池模块，而最后4个串联之后的整个电池箱体结构称为动力电池包。1.1电池单元与电池模块

选用的单元为松下公司产NCR18650PF动力型锂离子电池。电池模块的电池串并联方式为18并联6串联。18并联结构的装配爆炸图如图1所示。

其中：上下盖以及侧盖的材料均为ABS工程塑料，采用3D打印技术成型，不仅质量轻，而且具有较好的绝缘性和阻燃性。18节电池并联为一个电池单元，6个电池单元串联成一个电池模块，其装配图见图2。

1.2动力电池包结构

模态实验的对象为如图3所示的动力电池包，由4个串联电池模块、箱体及相关电气、机械附件等构成。

图1电池18并装配爆炸图

图2电池模块装配图图3动力电池包结构

2动力电池包的约束模态仿真

2.1精确模型的约束模态仿真2.1.1有限元建模

由于动力电池包结构较为复杂，所以首先用SolidWorks建立几何模型，再对电池单元体进行动力学建模。将电池包内部各个部件以及各个部件的关系都精确地进行建模，如图4所示。再将建好的模型导入有限元前处理软件Hypermesh中。

Hypermesh软件中进行有限元前处理后包括：模型中各个部件材料属性的赋予、模型中各个部件之间关系的建立、模型中各个部件网格的划分、载荷

第Z1期考虑精确电池单元体动力学建模的电动汽车动力电池包振动分析

21

图4Solidworks建模（隐藏箱体上盖）

约束的添加、载荷工况的建立等。

在Hypermesh中建立的模型中考虑各个部件之间关系以及划分各个部件的网格。建立各个部件的关系包括：1.门型支架和底部支架通过螺栓与箱体进行连接；2.侧面连接条通过螺栓与门型支架、底部支架和隔离固定条进行连接；3.铜柱和铜接板通过螺栓与上盖进行连接；4.拖脚支架通过焊接与箱体进行连接；5.其他部件之间是几何约束。再划分模型中各个部件的网格，如图5所示。

图5动力电池包有限元建模图(局部)

2.1.2有限元计算

把前处理文件导入Abaqus中进行有限元计算，需要计算的是约束模态，边界条件为：根据动力电池包在电动汽车上的实际安装情况，约束托脚螺孔处节点的全部自由度。可得出动力电池包的约束模态，如表1所示。

图6为动力电池包精确模型约束模态仿真的模态图。从图6图中，可以看出精确模型的模态仿真不仅能得出动力电池包箱体的动力学响应，而且可以得出动力电池包内部各个部件的动力学响应。2.2简化模型的约束模态仿真

需要计算的是约束模态，边界条件为：根据动力电池包在电动汽车上的实际安装情况，约束托脚螺孔处节点的全部自由度。为了模拟电池块以及其他电池包内部零件的质量，在动力电池包箱体底板上添加均布的质量点，并且所添加质量点的总重等于电池块及固定结构的重量。再用Abaqus进行计算，

表1动力电池包精确模型的约束模态阶数固有频率/Hz第1阶32.4第2阶73.040第3阶75.906第4阶79.060第5阶83.8第6阶

98.185

图6电池包精确模型约束模态仿真的模态图（2阶）

可得出动力电池包的约束模态，如表2所示。

表2动力电池包简化模型的约束模态阶数固有频率/Hz第1阶13.9第2阶27.786第3阶31.803第4阶

32.860第5阶45.526第6阶49.182第7阶58.049第8阶67.453第9阶72.471第10阶75.343第11阶78.233第12阶

80.329

图7为动力电池包简化模型约束模态仿真的模态图。由于简化模型将动力电池包内部结构都简化成质量点，故只能得出动力电池包箱体的动力学响应，而不能得出动力电池包内部各个部件的动力学响应。

3动力电池包的约束模态实验

3.1实验基本原理

实验时通过信号发生器产生正弦力信号，经过功率放大器把信号放大，再经由激振器对动力电池包某一点进行激振，力传感器获得激励信号；同时加

22噪声与振动控制第38卷

图7电池包简化模型约束模态仿真的模态图（2阶）

速度传感器对某一测量进行测量，获得响应信号。经过信号采集器收集激励信号和响应信号，从而可以获取频响函数，根据频响函数，得出动力电池包的固有频率。3.2实验过程

实验仪器包括装在DHDAS动态信号采集分析系统的计算机、信号发生器、信号采集器、功率放大器、激振器、力传感器、加速度传感器以及连接线。由于需要得到的是约束模态，故6个托脚支架进行完全约束，测试情况如8所示。

图8测试现场图

实验采取单点激励，多点测量的方法。关于激励点的选择，应选择激振器与动力电池包连接比较牢固的点且在激振状态下周围形变较小的点；关于测量点的选择，应避免在振型节点。在进行模态实验的时候，需要在DHDAS动态信号采集分析系统中建立激振点和测试点的模型。为此实验设置17个节点，其中包括1个激振点，16个测量点，如图9所示。1为激振点，2－17为测量点；激振点的实际位置为动力电池包侧面与底面相接棱线的中点。

实验中，激励1点，并通过力传感器获得1点的激励信号，通过加速度传感器分别在2－16点获得响应信号；通过信号采集器获得激励信号以及响应信号。

3.3实验数据的处理

信号采集器将收到的激励信号和响应信号传到DHDAS动态信号采集分析系统中，得到一系列的频响函数，理论上每个频响函数都应该差不多，且每一

图9系统建模图

峰值对应电池组的一个固有频率。根据DHDAS动态信号采集分析系统提示，选取Stable点作为固有频率所对应的点，生成一个拟合函数。生成的拟合函数与一系列的频响函数都有一个拟合度，经多次选取，选择与大部分频响函数拟合程度都较高的拟合函数，如图10所示。此拟合函数生成所需的Stable点即实验所得动力电池包的固有频率，如表3所示。

图10拟合程度图

表3实验测得动力电池包的约束模态阶数固有频率/Hz第1阶33.336第2阶70.765第3阶77.901第4阶80.721第5阶83.175第6阶

98.269

4结语

动力电池包简化模型的约束模态仿真结果与约束模态实验结果，差别较大，产生了较多多余的固有频率，把动力电池包简化模型与精确模型约束模态仿真所得的固有频率以及约束模态实验所得的固有频率三者进行对比，如表4所示。

第Z1期考虑精确电池单元体动力学建模的电动汽车动力电池包振动分析

表4仿真与实验对比

23

简化模型的仿真阶数第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶第7阶第8阶第9阶第10阶第11阶第12阶——

简化模型的仿真模态/Hz13.927.78631.80332.86045.529.18258.04967.45372.47175.34378.23380.329——

简化模型的仿真与实验模态对比误差（/%）

———1.45————2.35—0.420.49——

———第1阶————第2阶—第3阶第4阶第5阶第6阶

———33.336————70.765—77.90180.72183.17598.269参考文献：

实验阶数

实验频率/Hz

精确模型的仿真与实验模态对比误差（/%）

———1.34————3.11—2.632.100.850.09

精确模型的仿真阶数

———第1阶————第2阶—第3阶第4阶第5阶第6阶

精确模型的仿真模态/Hz

———32.4————73.040—75.90679.06083.8.185

通过表4，可以得出以下结论：

(1)集中质量块法的动力电池包简化模型约束模态仿真所得出的电池包固有频率会有许多不与约束模态实验所得出的动力电池包固有频率对应，动力电池包简化模型的约束模态仿真所得的动力电池包前12阶固有频率只有4个固有频率与实验所得出的动力电池包固有频率对应。

(2)根据简化模型的动力电池包约束模态的模态图，只能得出动力电池包箱体的动力学响应，而不能得出动力电池包内部各个部件的动力学响应。根据精确模型的动力电池包约束模态的模态图，不仅能得出动力电池包箱体的动力学响应，而且可以得出动力电池包内部各个部件的动力学响应。精确模型的动力电池包约束模态的模态图可以为动力电池包内部结构的优化以及修改提供可靠的依据。

(3)精确模型约束模态仿真所得出的电池包固有频率几乎与约束模态实验所得的动力电池包固有频率一一对应，且误差不超过5%。因此精确模型的约束模态仿真更为可靠。

(4)根据车辆相关资料，由路面不平度引起的激励多属于小于20Hz的垂向振动，故此动力电池包较为可靠。

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