陳 躍，李 楠，王曉松，張 杭

車(chē)用動(dòng)力電池箱體緊固扭矩衰減特性的仿真與實(shí)驗(yàn)分析

陳 躍，李 楠*，王曉松，張 杭

（國(guó)聯(lián)汽車(chē)動(dòng)力電池研究院有限責(zé)任公司，北京 101407）

螺栓連接是電池包的一種重要連接方式，由于振動(dòng)影響可能會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，其連接可靠性影響電池系統(tǒng)的性能和安全。文章主要采用模擬仿真和試驗(yàn)測(cè)試方式，研究電池包上下箱體之間的螺栓連接扭矩衰減情況，通過(guò)仿真計(jì)算電池包的模態(tài)振型，并分析螺栓受力分布，參照《電池包及系統(tǒng)安全要求及試驗(yàn)方法》（GB 31467.3－2015）中對(duì)電池系統(tǒng)耐振動(dòng)性的要求，開(kāi)展電池包整體隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)比振動(dòng)前、振動(dòng)1 h和振動(dòng)3 h后，電池包上下箱體螺栓的扭矩衰減相對(duì)值及其分布規(guī)律。研究結(jié)果顯示，隨機(jī)振動(dòng)1 h后，螺栓扭矩衰減6%左右，振動(dòng)3 h后，螺栓扭矩衰減均值衰減17%左右，且電池包結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響螺栓扭矩衰減分布，在有固定吊耳的位置區(qū)域，扭矩衰減較小，而在缺乏固定吊耳的區(qū)域，螺栓扭矩衰減較大，其為電池系統(tǒng)螺栓連接可靠性提供參考依據(jù)。

箱體緊固件；扭矩衰減特性；車(chē)用動(dòng)力電池；隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

近年來(lái)，新能源汽車(chē)行業(yè)迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用高比能大容量動(dòng)力電池系統(tǒng)，其安全性能和耐久性受到越來(lái)越多的關(guān)注，而電池箱體緊固對(duì)其性能和耐久性具有關(guān)鍵影響。

電池系統(tǒng)零部件眾多，包括模組、上下箱體、高低壓電氣元件、冷卻系統(tǒng)以及固定支架等等，這些零部件有多種連接方式，其中螺栓連接應(yīng)用廣泛，例如：上下箱體之間的連接、模組與下箱體之間的連接、電氣元件與固定支架的連接等等。螺栓擰緊扭矩的大小，決定了零件間的連接強(qiáng)度，而緊固件的松動(dòng)極可能引起動(dòng)力電池系統(tǒng)的故障或者失效[1]等安全問(wèn)題。尤其上下箱體之間的連接，還起到確保密閉性的作用，為了確保電氣安全，電池箱體內(nèi)不能進(jìn)塵進(jìn)水，且需要達(dá)到IP67[2]。電池包長(zhǎng)、寬尺寸一般在1 m以上，上下箱體之間的法蘭面接觸屬于大平面接觸，利用密封圈（硅膠泡棉）和螺栓擰緊配合實(shí)現(xiàn)密封。這種彈性材料一般會(huì)通過(guò)降低擰緊速度或者使用“擰緊－松半圈－擰緊”的方式，來(lái)保證殘余扭矩達(dá)到規(guī)定要求。對(duì)擰緊順序也有要求，為了能夠保證螺栓擰緊后，整個(gè)平面內(nèi)幾十個(gè)螺栓承受的應(yīng)力均勻分布[3]，擰緊過(guò)程中應(yīng)采用左右對(duì)稱(chēng)交替擰緊的順序。扭矩值應(yīng)按照螺栓扭矩標(biāo)準(zhǔn)《汽車(chē)用螺紋緊固件緊固扭矩》（QC/T 518－2007）中規(guī)定。

國(guó)標(biāo)《電池包及系統(tǒng)安全要求及試驗(yàn)方法》（GB 31467.3－2015）規(guī)定了電池包海水浸泡試驗(yàn)要求，即將整包淹沒(méi)在3.5%NaCl溶液中2 h，并持續(xù)觀察，電池包無(wú)著火或爆炸現(xiàn)象。GB 31467.3－2015又增加了振動(dòng)后電池包海水浸泡的試驗(yàn)要求，即電池包經(jīng)過(guò)國(guó)標(biāo)的隨機(jī)振動(dòng)后，再進(jìn)行海水浸泡試驗(yàn)，仍需滿(mǎn)足不起火不爆炸、無(wú)泄漏或外殼破損、起火或爆炸現(xiàn)象，其電池絕緣電阻應(yīng)不小于100 Ω/V。因此，提高螺栓等緊固件在動(dòng)力電池系統(tǒng)上的可靠性連接非常關(guān)鍵，文章將研究在電池包隨機(jī)振動(dòng)前后，其上下箱體的若干緊固螺栓扭矩的衰減變化及其分布規(guī)律。

1 緊固件扭矩及松動(dòng)分析

解慧等[4]從螺栓嚙合表面摩擦系數(shù)變化入手，研究了振動(dòng)狀態(tài)下螺栓的松動(dòng)行為，結(jié)果顯示摩擦因數(shù)是引起松動(dòng)階段變化的主要原因。張宇等[5]開(kāi)展了螺栓連接仿真計(jì)算，提出以 beam 單元軸向應(yīng)力功率譜密度均方根（Root Mean Square, RMS）值作為電池包螺栓連接振動(dòng)松動(dòng)評(píng)估參數(shù)，并結(jié)合某電池包工程實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)，電池包螺栓振動(dòng)松動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)高于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞風(fēng)險(xiǎn)。力神動(dòng)力電池系統(tǒng)有限公司黃衛(wèi)峰等[6]研究了緊固件在動(dòng)力電池系統(tǒng)上的可靠性設(shè)計(jì)，提出了在動(dòng)力電池系統(tǒng)不同位置的安裝注意事項(xiàng)。朱光宇等[7]評(píng)估了安裝于車(chē)輛縱梁上充電機(jī)連接螺栓的振動(dòng)耐久性和可靠性，結(jié)果顯示不同等級(jí)的螺栓組合振動(dòng)后衰減率不同，螺栓等級(jí)強(qiáng)度越高，振后預(yù)緊力的衰減率更大。徐佳寧等[8]基于Simscape搭建了動(dòng)力電池串聯(lián)模型，模擬仿真電池螺栓松動(dòng)后，引起的電池內(nèi)阻變化和電池電壓輸出故障。李海蛟等[9]探究了轉(zhuǎn)向器螺栓緊固力、摩擦系數(shù)與擰緊力矩的關(guān)系，并指出調(diào)節(jié)螺栓摩擦系數(shù)、擰緊力矩等可改善防松效果。王開(kāi)平等[10]研究指出沖擊載荷下在材料松動(dòng)期內(nèi)沖擊載荷幅值越小、螺紋初始間隙越小，螺栓松動(dòng)越不容易發(fā)生。劉光輝等[11]分析了輸電鐵塔螺栓連接松動(dòng)問(wèn)題，隨著振動(dòng)幅值增大，螺栓殘余預(yù)緊力顯著下降。

2 電池包模態(tài)仿真

2.1 螺栓位置及編號(hào)

考慮上下箱支撐面摩擦系數(shù)和螺栓摩擦系數(shù)，按照QC/T 518—2007，需保證扭矩值為9.5～10.0 Nm。本案例中，電池包上下箱體之間的連接采用8.8級(jí)M6外六角螺栓，其54個(gè)螺母鑲嵌在下箱體上，并成左右對(duì)稱(chēng)分布。電池包前端有2個(gè)與車(chē)體固定用的吊耳，且左右還各有4個(gè)吊耳，后端無(wú)吊耳，如圖1所示。螺栓編號(hào)為1～54號(hào)，其從電池箱體的后端開(kāi)始，往前端逐漸變大，如圖2所示。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)

圖2 螺栓編碼示意圖

2.2 電池包仿真

利用ANSYS軟件開(kāi)展電池包模態(tài)仿真計(jì)算，并在電池包的所有固定吊耳處施加全位移約束，同時(shí)分析模型包括電池包主要組件（上下箱體、模組、固定支架、熱管理系統(tǒng)），其上下箱體模型用4×4殼網(wǎng)格劃分，模組用六面體網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

從模態(tài)振型圖3中可以分析出，在1階模態(tài)時(shí)，電池包上殼的振幅變形較大，基本呈左右對(duì)稱(chēng)，并位于中央偏前端位置；在2階模態(tài)時(shí)，電池包后端的振動(dòng)幅度較大，電池包前端的振動(dòng)幅度較小，其原因在于電池包后端放置了兩層模組，此處的自身重力較大；電池包3階振型和4階振型中，振幅較大位置也都位于電池包后端或上蓋中央，因此，這些位置的螺栓受力也會(huì)較大，容易發(fā)生較大的扭矩衰減。

圖3 電池包模態(tài)仿真分析

3 振動(dòng)前后螺栓扭矩測(cè)量與分析

3.1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)

按照GB/T 31467.3－2015 第1號(hào)修改單的測(cè)試要求，采用加速測(cè)試方式分別對(duì)電池包做了1 h和3 h的正弦振動(dòng)試驗(yàn)，其具體振動(dòng)方向?yàn)檩S，將測(cè)試對(duì)象安裝在振動(dòng)臺(tái)（如圖4所示）上，電池包進(jìn)行15 min正弦波振動(dòng)，振動(dòng)頻率從7 Hz增加至50 Hz再回至7 Hz，此循環(huán)在1 h內(nèi)循環(huán)4次，3 h中重復(fù)12次。振動(dòng)頻率和加速度的關(guān)系如表1所示，測(cè)量振動(dòng)前后上下箱體的螺栓扭矩值變化。

圖4 電池包振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

表1 頻率與加速度

試驗(yàn)序號(hào)頻率/Hz加速度/(m/s2) 17～1810 218～3010～2 330～502

3.2 振動(dòng)前后扭矩值分析

電池包經(jīng)過(guò)1 h正弦振動(dòng)前后，上下箱體連接的54個(gè)螺栓扭矩值測(cè)量結(jié)果如圖5所示。螺栓扭矩值的測(cè)量方式為利用數(shù)顯扭矩扳手，使用擰緊法進(jìn)行扭矩測(cè)量。

圖5 電池箱振動(dòng)1 h前后扭矩

電池包經(jīng)過(guò)3 h正弦振動(dòng)前后，上下箱體連接的54個(gè)螺栓的扭矩值測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 電池箱振動(dòng)3 h前后扭矩

測(cè)試結(jié)果表明，振動(dòng)前螺栓平均扭矩值為 10 Nm，振動(dòng)1 h后，大部分螺栓的扭矩稍有衰減但仍保持在9 Nm以上，衰減幅度很小，其平均扭矩值為9.4 Nm。振動(dòng)3 h后，螺栓的扭矩衰減加速，最低則衰減到了6.3 Nm左右，平均值衰減為8.6 Nm。由此可以看出，在長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)的作用下，容易造成緊固件松動(dòng)。

計(jì)算電池包振動(dòng)1 h和振動(dòng)3 h前后，每個(gè)螺栓扭矩的衰減率并進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示，其中虛線為添加的線性趨勢(shì)線。

振動(dòng)1 h和振動(dòng)3 h后，螺栓扭矩衰減的幅度不同。從圖7中可見(jiàn)，振動(dòng)1 h后，扭矩衰減均值在6%左右，且超過(guò)2/3的螺栓扭矩衰減率在10%以?xún)?nèi)，全部螺栓的扭矩衰減率在20%以?xún)?nèi)；振動(dòng) 3 h后，扭矩衰減均值從6%增加到17%左右，有超過(guò)10個(gè)螺栓的扭矩衰減率甚至超過(guò)30%。

圖7 2種振動(dòng)時(shí)間衰減率對(duì)比

另外，從圖7中可以發(fā)現(xiàn)編號(hào)較大（40～54號(hào)）的螺栓，衰減幅度較小。原因是這些編號(hào)較大的螺栓位于電池包前端，如圖2所示，此位置放置有4個(gè)固定吊耳，因此，附近區(qū)域的振幅較小且螺栓分布較密，所承受應(yīng)力峰值較小，故而螺栓的預(yù)緊力衰減較小。這一結(jié)果也與電池系統(tǒng)模態(tài)仿真計(jì)算的結(jié)果相匹配。

為防止此種情況發(fā)生，需優(yōu)化緊固件的防松設(shè)計(jì)[12]，如可在螺帽下加彈簧墊，并設(shè)計(jì)合理的螺栓分布密度以及擰緊順序，從而降低螺栓扭矩的衰減率，對(duì)電池系統(tǒng)的螺栓連接可靠性有非常重要的意義。

4 結(jié)論

本文主要論述了電池系統(tǒng)上下箱緊固要求，緊固件在動(dòng)力電池系統(tǒng)上的擰緊規(guī)范，并開(kāi)展了電池包隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試了試驗(yàn)前后上下箱螺栓的緊固扭矩的變化，對(duì)比分析了相應(yīng)的扭矩衰減情況，隨機(jī)振動(dòng)1 h后，螺栓扭矩衰減6%左右；振動(dòng)3 h后，螺栓扭矩衰減均值衰減17%左右，且電池包結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響螺栓扭矩衰減分布，在有固定吊耳的位置區(qū)域，扭矩衰減較小，而在缺乏固定吊耳的區(qū)域，螺栓扭矩衰減較大。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真分析預(yù)測(cè)情況相一致，即通過(guò)仿真分析了解電池系統(tǒng)的振型狀態(tài)，判斷螺栓受力分布趨勢(shì)，合理設(shè)計(jì)螺栓的分布密度，并結(jié)合實(shí)際連接過(guò)程中在螺帽下加彈簧墊等，可降低螺栓扭矩的衰減率，從而為動(dòng)力電池系統(tǒng)緊固件的防松設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

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Simulation and Experimental Analysis of Tightening Torque Attenuation Characteristics of the Vehicle PowerBattery Pack

CHEN Yue, LI Nan*, WANG Xiaosong, ZHANG Hang

( China Automotive Battery Research Institute Company Limited, Beijing 101407, China )

Bolted connection is an important connection mode of battery pack,and due to the influence of vibration, it may be loose, and its connection reliability affects the performance and safety of battery system.This paper mainly adopts the simulation and test methods to study the torque attenuation of bolt connection between the upper and lower boxes of battery pack, calculates the modal shape of battery pack through simulation, and analyzes the bolt force distribution.According to the requirements of(GB 31467.3－2015), the whole random vibration test of battery pack is carried out to compare the relative torque attenuation values and distribution rules of bolts in upper and lower case of battery pack before vibration, 1h vibration and 3h vibration.The results show that the bolt torque attenuation is about 6% after 1h random vibration, and about 17% after 3h vibration,and moreover, the structural characteristics of the battery pack affect the bolt torque attenuation distribution.In the region with fixed lug, the bolt torque attenuation is small, while in the region without fixed lug, the bolt torque attenuation is large,which provides reference for the reliability of bolt connection of battery system.

Box fastener;Torque attenuation characteristics;Vehicle power battery;Random vibration text

U469.7

A

1671-7988(2023)12-01-05

陳躍（1984－），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姵叵到y(tǒng)設(shè)計(jì)，E-mail:chenyue@glabat.com。

李楠（1990－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾履茉措姵叵到y(tǒng)，E-mail:408038473@qq.com。

富鋰錳基電池全壽命周期產(chǎn)氣機(jī)制的原位探究及其改性措施（22005264）。