新能源汽车动力电池车间振动分析实例

江海鸿阮兵万叶青 AI汽车制造业 2024-02-04

为了解决动力电池生产车间多层厂房的楼面振动问题，以某新能源汽车实际项目为例，根据电池生产车间的工艺条件，基于脉冲理论对生产线机器人工作时的振动特性进行分析，对该工程结构的振动适用性、安全性和舒适性进行了综合评价，由此建立起一套较为完整适用的振动控制设计方法，可供类似工程参考和应用。

0 引言

随着新能源汽车技术的快速发展，新能源汽车的产销量不断创历史新高，动力电池需求量随之日益增加，带动了国内动力电池生产厂家不断投入大量资金进行产品研发和扩大生产规模。动力电池生产车间的工程设计要求与燃油车的动力总成车间要求明显不同。

根据生产工艺的需要，电池生产厂房多数是多层框架结构。通常情况，此类厂房的柱距为12m，高为7m左右。厂房建筑剖面图如图1所示。

图1 车间剖面

1 工艺要求

新能源汽车动力电池主要为锂离子电池，相较于其他类型的电池，锂离子电池具有电池寿命长、温度适应性强、无记忆效应和能量密度高及自放电率小等特点。单体电池通过堆叠组装成模组，模组再组装成电池包，不同生产对象的工艺要求也会有所不同。现以典型圆柱动力电池模组（图2）生产工艺为例加以说明，其工艺流程如图3所示。

图2 圆柱电池模组

当今的电池包生产线，自动化技术应用得非常多，特别是机器人在生产线中大规模地被使用。当机器人手臂运动时，会产生较大的振动。由机器人引起的振动对厂房的结构安全和车间内的使用环境会造成较大影响。

图3 圆柱电池模组生产流程示意

2 振源特点

在动力电池车间里常用的装配机器人是六自由度机器人，数量较多。机器人结构形式如图4所示。

图4 电池包装配机器人

用户反映，模组装配机器人振动影响最大，表现为激振力连续冲击作用。由于楼面的平面刚度非常大，作用在楼板平面内的激振影响较小。本次分析重点是竖向振动，包括竖向激振力和竖向平面的力矩，并考虑正常运行的工况和异常断电的工况。根据冲击理论，可以用脉冲函数来表示机器人手臂的冲击作用。设定此类冲击作用为正矢脉冲函数，亦即：

式中，Fmax为最大激振力；t0为激振脉宽。

1）正常工况：最大激振力为Fzmax=30kN；最大激振扭矩为Mxmax=63.06kN・m；脉宽为t0=0.30s。

2）故障工况：最大激振力为Fzmax=48.02kN；最大激振扭矩为Mxmax=100.94kN・m；脉宽为t0=0.05s。

冲击作用的振动特性较为复杂，虽然作用时间很短，激振频率分布较宽，所以冲击作用容易引起楼面结构的共振。冲击作用的分布频率宽度一般为脉宽的倒数，当t0=0.05s时，振动能量分布的频率上限为fc=20Hz。冲击作用时间越短，分布频率越宽。

3 容许振动标准

为了解决动力电池车间的楼面振动问题，需要从如下几个方面入手：

3.1结构安全性

避免振动过大危害厂房建筑的结构安全或缩短楼面结构的疲劳寿命。参考GB50190-2020《工业建筑振动控制设计标准》屋盖振动速度的最大值要求为20mm/s。

3.2结构适用性

为减少结构振动对车间内其他机床的加工精度或精密仪器设备的正常使用，需要限值楼面振动。车间内并无对振动敏感的加工设备，根据GB50868-2013《建筑工程容许振动标准》，可取振动速度均方根值为1mm/s。

3.3建筑舒适性

确保车间内操作人员的健康和安全，办公环境的舒适，以免引起工作人员的振动疲劳，相关的参考指标如表所示。

表1 建筑振动舒适度指标

4 结构振动分析

根据建筑结构设计给出的结构单元，纵横各为8列柱距，钢梁钢柱，楼板为200mm厚度混凝土楼板。激振力作用在中央区域，楼板中心位置，对该结构单元运用Sap2000进行建模分析，基本模型如图5所示。为了便于比较分析结果，定义振动沿楼板振动传播的方向分别为：沿次梁振动传播的方向2和沿主梁振动传播的方向1。可以按照图6表示的箭头分析确定。

图5 基本模型

图6 振动传播方向示意

根据上述建模方式，考虑冲击振动作用在楼面中心位置，楼板的振动位移响应时程分析结果如图7所示。冲击作用下，楼板沿次梁方向的振动位移、速度和加速度响应，其中，振动加速度传播如图8所示。

图7 时程分析位移响应

可以看出，楼板振动响应，在振源所在板块，也就是在同一个主梁区格内的振动响应较大。振动沿楼面的振动传播衰减较快，经过第一道主梁后振动迅速衰减。相对而言，沿次梁方向的衰减稍慢一些。

图8 振动加速度传播

结果表明：按照本项目机器人正常工况的激振条件，振动沿次梁方向传播，振动衰减在相邻楼板达85%以上，到第二区的振动衰减可达95%以上，到第三区格的振动衰减达到99%以上。在本工程项目中，机器人正常工作时产生的振动，在楼层内沿着楼板向外传播时，振动能量消耗较大，经过两跨的传播，振动影响可以忽略，关键是要控制振源处的振动效应，如图9所示。