秦千富 梁琴桂 周文静

摘 要：文章通过对某车型动力电池包箱体在振动试验中出现的疲劳断裂问题进行分析论证，建立了一种新的基于PSD试验谱下的振动疲劳仿真分析方法。结果表明：该方法下的仿真疲劳损伤位置与试验断裂位置一致。经过对其进行方案优化后，该箱体结构满足振动疲劳性能并顺利通过振动试验。这种基于PSD谱振动疲劳仿真分析方法具有较强的工程实用性，为工程振动问题提供了风险预测、问题解决，缩短开发周期。

关键词：电池包箱体;PSD谱;振动试验;振动疲劳

中图分类号：U462.3+6  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）16-13-03

Abstract： This paper analyzes and proves the fatigue fracture of the power battery case in vibration test， a new vibration fatigue simulation method based on PSD test spectrum is established. The results show that the simulated fatigue damage location under this method is consistent with the test fracture location. After the optimization of the scheme， the box structure meets the vibration fatigue performance and passes the vibration test successfully. This method of vibration fatigue simulation based on PSD spectrum has strong engineering practicability， which provides risk prediction， problem solving and shortens development cycle for engineering vibration problems.

Keywords： Battery pack box; PSD spectrum; Vibration test; Vibration fatigue

CLC NO.： U462.3+6  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）16-13-03

引言

动力电池包作为电动汽车驱动能量的唯一来源，是电动汽车的核心。电池包整体性能的好坏，关系到电动汽车的动力性能、续航能力以及整车的安全性。本文以某车型动力电池包箱体在开发验证阶段，振动试验中出现的断裂问题进行原因分析和论证，建立了一种基于PSD试验谱下的振动疲劳仿真分析方法，并通过对电池包箱体进行结构优化，最终顺利通过振动试验，为后续车型动力电池包箱体开发设计提供了新的思路和预测方法，进而缩短了开发周期。

1 PSD谱

PSD即功率谱密度，是一种概率统计方法，是对随机变量均方值的量度，一般用于随机振动分析。

2 振动试验

2.1 试验方法及要求

GB/T 2423.56-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第三部分：安全性要求与测试方法中给出了电池系统安全性测试的具体方法。试验对象参照测试对象车辆安装位置和GB/T 2423.43的要求，将测试对象安装在振动台上。振动测试在三个方向上进行，每个方向作用时间12h，测试从z轴开始，然后是y轴，最后是x轴。要求在测试过程中，动力电池包的最小监控单元无电压锐变（电压差的绝对值不大于0.15V），动力电池包保持连接可靠、结构完好，动力电池包无泄漏、外壳破裂、着火或爆炸等现象[2]。

2.2 某车型动力电池包振动试验结果

某车型动力电池包在开发阶段将样件进行振动试验，在Z轴测试进行到11.5h时出现异响，拆箱后发现有4处异常，焊点开裂，加强筋断裂。排除设计、制造工艺问题，初步判断造成样件试验开裂的主要原因是箱体支架在振动载荷循环作用下，支架薄弱位置疲劳损伤，最终发生断裂。

3 电池包箱体振动疲劳分析

为了找出电池包箱体支架开裂的真正原因并优化以确保项目开发进度，对电池包箱体进行仿真分析、方案优化、试验验证，最终论证了该分析方法的工程实用性，最终建立了一种新的基于PSD试验谱下的振动疲劳仿真分析方法。该仿真分析流程如图5所示。

3.1 结构分析：频率响应

根据试验PSD谱频率段，对电池包有限元模型[3]进行5-200Hz模态频率响应分析，得到每一阶模态在X、Y、Z单位加速度激励下的传递函数以及模态应力因子[4-5]。

3.2 振动疲劳分析

频率响应获得三个方向单位加速度激励下的传递函数及模态应力因子，结合试验PSD谱以及材料S-N曲线[6]，在指定的概率密度函数下进行多轴疲劳分析，计算振动试验时间下疲劳损伤。

分析结果显示，对应四处开裂位置损伤均大于1，存在开裂风险，与试验结果相吻合。

结果如下：

4 优化验证

从分析结果看，开裂位于搭接和模组固定孔附近，由于接头结构较弱，导致传力的不连续性，且安装面刚度较差，抗变形能力不足，使得电池包箱体在循环振动载荷谱激励下发生振动疲劳断裂。因此，进行箱体结构优化时充分考虑了这两点因素，模组固定支架采用腔体封闭结构，避免接头过弱设计，同时中部位置增加纵梁，加强抗变形能力，提升整包模态。

优化方案箱体最大损伤0.060，低于目标值1，满足振动寿命要求。经再次振动试验，顺利通过。

5 结语

本文通过对某车型动力电池包箱体在振动试验中出现的疲劳断裂问题进行分析，提出了一种新的基于PSD试验谱下的振动疲劳仿真分析方法。分析结果与试验结果一致，并方案优化最终完成试验。该方法在电池包设计开发阶段可以有效的开展风险评估，缩短开发周期，降低成本。同时，对其他工程振动问题的解决也具有一定的指导作用。

参考文献

[1] 徐灏.疲劳强度设计[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2] GB/T 2423.56-2015.电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第三部分安全性要求及测试方法[S].2015.

[3] 董相龙，张维强.电动汽车电池箱结构强度的有限元分析及其改进设计[J].机械强度，2015，37（2）：312-316.

[4] 田麗思.MSC.Nastran动力分析指南[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[5] 李增刚.Nastran快速入门与实例[M].北京：国防工业出版社， 2007. 6.

[6] 陈玳珩.疲劳失效与材料强度预测：线性切口力学的概念与应用[M].北京：清华大学出版社，2014.