动力电池包随机振动仿真分析

陈康伟彭振王鹏显 AI汽车制造业 2025-06-04

某圆柱铁锂电池包的设计中，通过模态与随机振动分析，确定电池包固有频率，揭示其结构动力学特性，为避免出现共振提供依据。仿真结果显示，电池包Z向一阶模态为35.6Hz，X/Y/Z三个方向随机振动强度达标均符合设计要求。

0 前言

在科技发展的有力推动下，电动车的性能和续驶能力显著提升。电池包的高强度设计能抵御外界冲击，防止单体电池受损，避免电池短路等故障。本文以某圆柱铁锂电池包为模型，采用模态叠加法计算电池包的模态与随机振动。

1 电池包设计

电池包结构及材料如图1所示，主要包括箱盖、底护板、底板和模组等部分，电池包总质量为425kg。为提高电池包强度，同时考虑减重的需求，电池包边梁及横梁主要使用铝合金，底板及模组侧板主要使用HC420钢材。

图1 电池包主要结构及材料

2 电池包随机振动仿真分析

2.1 随机振动分析

功率谱密度（PSD）是描述随机振动信号的重要概念，电池包随机振动分析中，通过对振动源的功率谱密度测定，获得不同频率的振动强度。依据PSD可预测电池包结构在随机振动下的响应，为优化设计提供数据支持。参照GB38031-2020中规定的功率谱密度，如表1所示。

2.2 仿真模型建立与约束

建模前将尺寸较小的倒角与圆角简化处理，电池包中壳单元进行抽取中面后划分网格，实体与单体电池划分六面体网格。使用ruled对焊缝位置进行共节点操作，安装孔采用rigid命令约束，后添加材料属性及厚度，不同材料属性，如表2所示。

2.3 仿真约束与载荷

计算随机振动时需要设置两个分析步，模态分析步与随机振动分析步。模态求解采用Lanzcos法，模态分析时对电池包与车体安装点进行全约束操作，随机振动响应分析在安装点上分别施加X/Y/Z方向的加速度功率谱密度，随机振动约束条件如图2所示。

图2 约束工装吊耳安装孔

3 结果分析

3.1 模态结果分析

根据仿真及试验经验，电池包一阶模态频率需在35Hz之上。随机振动结果显示电池包Z向一阶模态频率为35.6Hz，二阶模态频率为38.4Hz，X/Y向的一阶频率均大于100Hz，电池包在X、Y方向的结构刚度良好，电池包模态结果如图3所示。

图3 Z向二阶模态振型

3.2 不同零部件的随机振动结果分析

为深入评估电池包下壳体的振动性能，对电池包下壳体进行X/Y/Z方向的随机振动仿真。图4展示了X方向的不同部件随机振动结果，将其与表3中的X方向评判标准进行比对后发现，各部件在X方向的随机振动结果均符合要求。

图4 不同部件X方向随机振动结果

方向随机振动仿真结果如图5和表4所示，Y方向的仿真结果远小于实际要求。以箱体为例，Y方向应力为16.27MPa，远小于材料应力，说明电池包在Y方向的结构设计能够为电池包在实际运行中提供抗振保障，减少因振动导致的部件损坏风险，提升电池包的整体可靠性。

图5 不同部件Y方向随机振动结果

电池包在实际工况下重点关注Z方向的随机振动，如图6和表5所示，仿真结果显示，在特定频率范围内，电池包的加速度幅值呈现出明显的变化趋势。在低频区域，部分结构件出现较大位移响应，表明其在低频激励下容易产生较大变形。随着频率升高，某些区域的应力集中现象逐渐凸显，尤其是在电池包的边角以及与固定支架的连接部位。但重点关注的箱盖、箱体、吊耳和焊缝位置等的实际强度都远大于仿真值，表明该电池包Z方向强度符合要求，电池包不存在失效风险。