车用动力电池箱体紧固扭矩衰减特性的仿真与实验分析

陈 跃，李 楠，王晓松，张 杭

车用动力电池箱体紧固扭矩衰减特性的仿真与实验分析

陈 跃，李 楠*，王晓松，张 杭

（国联汽车动力电池研究院有限责任公司，北京 101407）

螺栓连接是电池包的一种重要连接方式，由于振动影响可能会产生松动，其连接可靠性影响电池系统的性能和安全。文章主要采用模拟仿真和试验测试方式，研究电池包上下箱体之间的螺栓连接扭矩衰减情况，通过仿真计算电池包的模态振型，并分析螺栓受力分布，参照《电池包及系统安全要求及试验方法》（GB 31467.3－2015）中对电池系统耐振动性的要求，开展电池包整体随机振动试验，对比振动前、振动1 h和振动3 h后，电池包上下箱体螺栓的扭矩衰减相对值及其分布规律。研究结果显示，随机振动1 h后，螺栓扭矩衰减6%左右，振动3 h后，螺栓扭矩衰减均值衰减17%左右，且电池包结构特点影响螺栓扭矩衰减分布，在有固定吊耳的位置区域，扭矩衰减较小，而在缺乏固定吊耳的区域，螺栓扭矩衰减较大，其为电池系统螺栓连接可靠性提供参考依据。

箱体紧固件；
扭矩衰减特性；
车用动力电池；
随机振动试验

近年来，新能源汽车行业迅猛发展，广泛应用高比能大容量动力电池系统，其安全性能和耐久性受到越来越多的关注，而电池箱体紧固对其性能和耐久性具有关键影响。

电池系统零部件众多，包括模组、上下箱体、高低压电气元件、冷却系统以及固定支架等等，这些零部件有多种连接方式，其中螺栓连接应用广泛，例如：上下箱体之间的连接、模组与下箱体之间的连接、电气元件与固定支架的连接等等。螺栓拧紧扭矩的大小，决定了零件间的连接强度，而紧固件的松动极可能引起动力电池系统的故障或者失效[1]等安全问题。尤其上下箱体之间的连接，还起到确保密闭性的作用，为了确保电气安全，电池箱体内不能进尘进水，且需要达到IP67[2]。电池包长、宽尺寸一般在1 m以上，上下箱体之间的法兰面接触属于大平面接触，利用密封圈（硅胶泡棉）和螺栓拧紧配合实现密封。这种弹性材料一般会通过降低拧紧速度或者使用“拧紧－松半圈－拧紧”的方式，来保证残余扭矩达到规定要求。对拧紧顺序也有要求，为了能够保证螺栓拧紧后，整个平面内几十个螺栓承受的应力均匀分布[3]，拧紧过程中应采用左右对称交替拧紧的顺序。扭矩值应按照螺栓扭矩标准《汽车用螺纹紧固件紧固扭矩》（QC/T 518－2007）中规定。

国标《电池包及系统安全要求及试验方法》（GB 31467.3－2015）规定了电池包海水浸泡试验要求，即将整包淹没在3.5%NaCl溶液中2 h，并持续观察，电池包无着火或爆炸现象。GB 31467.3－2015又增加了振动后电池包海水浸泡的试验要求，即电池包经过国标的随机振动后，再进行海水浸泡试验，仍需满足不起火不爆炸、无泄漏或外壳破损、起火或爆炸现象，其电池绝缘电阻应不小于100 Ω/V。因此，提高螺栓等紧固件在动力电池系统上的可靠性连接非常关键，文章将研究在电池包随机振动前后，其上下箱体的若干紧固螺栓扭矩的衰减变化及其分布规律。

解慧等[4]从螺栓啮合表面摩擦系数变化入手，研究了振动状态下螺栓的松动行为，结果显示摩擦因数是引起松动阶段变化的主要原因。张宇等[5]开展了螺栓连接仿真计算，提出以 beam 单元轴向应力功率谱密度均方根（Root Mean Square, RMS）值作为电池包螺栓连接振动松动评估参数，并结合某电池包工程实例研究发现，电池包螺栓振动松动风险高于结构强度破坏风险。力神动力电池系统有限公司黄卫峰等[6]研究了紧固件在动力电池系统上的可靠性设计，提出了在动力电池系统不同位置的安装注意事项。朱光宇等[7]评估了安装于车辆纵梁上充电机连接螺栓的振动耐久性和可靠性，结果显示不同等级的螺栓组合振动后衰减率不同，螺栓等级强度越高，振后预紧力的衰减率更大。徐佳宁等[8]基于Simscape搭建了动力电池串联模型，模拟仿真电池螺栓松动后，引起的电池内阻变化和电池电压输出故障。李海蛟等[9]探究了转向器螺栓紧固力、摩擦系数与拧紧力矩的关系，并指出调节螺栓摩擦系数、拧紧力矩等可改善防松效果。王开平等[10]研究指出冲击载荷下在材料松动期内冲击载荷幅值越小、螺纹初始间隙越小，螺栓松动越不容易发生。刘光辉等[11]分析了输电铁塔螺栓连接松动问题，随着振动幅值增大，螺栓残余预紧力显著下降。

2.1 螺栓位置及编号

考虑上下箱支撑面摩擦系数和螺栓摩擦系数，按照QC/T 518—2007，需保证扭矩值为9.5～10.0 Nm。本案例中，电池包上下箱体之间的连接采用8.8级M6外六角螺栓，其54个螺母镶嵌在下箱体上，并成左右对称分布。电池包前端有2个与车体固定用的吊耳，且左右还各有4个吊耳，后端无吊耳，如图1所示。螺栓编号为1～54号，其从电池箱体的后端开始，往前端逐渐变大，如图2所示。

图1 电池包结构

图2 螺栓编码示意图

2.2 电池包仿真

利用ANSYS软件开展电池包模态仿真计算，并在电池包的所有固定吊耳处施加全位移约束，同时分析模型包括电池包主要组件（上下箱体、模组、固定支架、热管理系统），其上下箱体模型用4×4壳网格划分，模组用六面体网格划分，如图3所示。

从模态振型图3中可以分析出，在1阶模态时，电池包上壳的振幅变形较大，基本呈左右对称，并位于中央偏前端位置；
在2阶模态时，电池包后端的振动幅度较大，电池包前端的振动幅度较小，其原因在于电池包后端放置了两层模组，此处的自身重力较大；
电池包3阶振型和4阶振型中，振幅较大位置也都位于电池包后端或上盖中央，因此，这些位置的螺栓受力也会较大，容易发生较大的扭矩衰减。

图3 电池包模态仿真分析

3.1 正弦振动试验

按照GB/T 31467.3－2015 第1号修改单的测试要求，采用加速测试方式分别对电池包做了1 h和3 h的正弦振动试验，其具体振动方向为轴，将测试对象安装在振动台（如图4所示）上，电池包进行15 min正弦波振动，振动频率从7 Hz增加至50 Hz再回至7 Hz，此循环在1 h内循环4次，3 h中重复12次。振动频率和加速度的关系如表1所示，测量振动前后上下箱体的螺栓扭矩值变化。

图4 电池包振动试验台

表1 频率与加速度

试验序号频率/Hz加速度/(m/s2) 17～1810 218～3010～2 330～502

3.2 振动前后扭矩值分析

电池包经过1 h正弦振动前后，上下箱体连接的54个螺栓扭矩值测量结果如图5所示。螺栓扭矩值的测量方式为利用数显扭矩扳手，使用拧紧法进行扭矩测量。

图5 电池箱振动1 h前后扭矩

电池包经过3 h正弦振动前后，上下箱体连接的54个螺栓的扭矩值测量结果如图6所示。

图6 电池箱振动3 h前后扭矩

测试结果表明，振动前螺栓平均扭矩值为 10 Nm，振动1 h后，大部分螺栓的扭矩稍有衰减但仍保持在9 Nm以上，衰减幅度很小，其平均扭矩值为9.4 Nm。振动3 h后，螺栓的扭矩衰减加速，最低则衰减到了6.3 Nm左右，平均值衰减为8.6 Nm。由此可以看出，在长时间振动的作用下，容易造成紧固件松动。

计算电池包振动1 h和振动3 h前后，每个螺栓扭矩的衰减率并进行对比，如图7所示，其中虚线为添加的线性趋势线。

振动1 h和振动3 h后，螺栓扭矩衰减的幅度不同。从图7中可见，振动1 h后，扭矩衰减均值在6%左右，且超过2/3的螺栓扭矩衰减率在10%以内，全部螺栓的扭矩衰减率在20%以内；
振动 3 h后，扭矩衰减均值从6%增加到17%左右，有超过10个螺栓的扭矩衰减率甚至超过30%。

图7 2种振动时间衰减率对比

另外，从图7中可以发现编号较大（40～54号）的螺栓，衰减幅度较小。原因是这些编号较大的螺栓位于电池包前端，如图2所示，此位置放置有4个固定吊耳，因此，附近区域的振幅较小且螺栓分布较密，所承受应力峰值较小，故而螺栓的预紧力衰减较小。这一结果也与电池系统模态仿真计算的结果相匹配。

为防止此种情况发生，需优化紧固件的防松设计[12]，如可在螺帽下加弹簧垫，并设计合理的螺栓分布密度以及拧紧顺序，从而降低螺栓扭矩的衰减率，对电池系统的螺栓连接可靠性有非常重要的意义。

本文主要论述了电池系统上下箱紧固要求，紧固件在动力电池系统上的拧紧规范，并开展了电池包随机振动试验，测试了试验前后上下箱螺栓的紧固扭矩的变化，对比分析了相应的扭矩衰减情况，随机振动1 h后，螺栓扭矩衰减6%左右；
振动3 h后，螺栓扭矩衰减均值衰减17%左右，且电池包结构特点影响螺栓扭矩衰减分布，在有固定吊耳的位置区域，扭矩衰减较小，而在缺乏固定吊耳的区域，螺栓扭矩衰减较大。实测结果与仿真分析预测情况相一致，即通过仿真分析了解电池系统的振型状态，判断螺栓受力分布趋势，合理设计螺栓的分布密度，并结合实际连接过程中在螺帽下加弹簧垫等，可降低螺栓扭矩的衰减率，从而为动力电池系统紧固件的防松设计提供了指导。

[1] 熊瑞.动力电池外短路故障热-力影响与分析[J].机械工程学报,2019,55(2):115-125.

[2] 全国电气安全标准化技术委员会.外壳防护等级(IP代码):GB 4208－2008/IEC 60529－2001[S].北京:中国标准出版社,2008.

[3] 魏景超.复合材料结构新型紧固件连接强度与失效机理[D].西安:西北工业大学,2014.

[4] 解慧,王峰会,张凯,等.振动状态下螺栓松动行为及原因[J].现代机械,2017(3):44-47.

[5] 张宇,杨家友,陈德欣.电动车动力电池包螺栓连接振动松动研究[J].噪声与振动控制,2019,39(5):50-55.

[6] 黄卫峰,王楠,赵晓军,等.紧固件在动力电池系统上的可靠性设计与扭矩研究[J].汽车实用技术,2020,45 (3):3-4.

[7] 朱光宇,郑保仲.随机振动螺栓松动数值仿真分析[J].机械设计与制造,2018(1):239-241.

[8] 徐佳宁,梁栋滨,魏国,等.串联电池组接触电阻故障诊断分析[J].电工技术学报,2017,32(18):106-112.

[9] 李海蛟,居刚,章建国,等.某特种车转向器螺栓松动实例分析与改进[J].汽车实用技术,2021,46(22):75-77.

[10] 王开平,张明远,闫明,等.冲击载荷下材料松动期内螺栓松动影响因素研究[J].振动与冲击,2020,39(22): 35-40.

[11] 刘光辉,伍川,吕中宾,等.输电铁塔螺栓紧固特性影响因素试验研究[J].现代制造工程,2020(3):84-91.

[12] 魏兵.实用紧固件手册[M].3版.北京:机械工业出版社, 2018.

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

陈跃（1984－），男，博士，高级工程师，研究方向为电池系统设计，E-mail:chenyue@glabat.com。

李楠（1990－），男，硕士，工程师，研究方向为新能源电池系统，E-mail:408038473@qq.com。

富锂锰基电池全寿命周期产气机制的原位探究及其改性措施（22005264）。

猜你喜欢吊耳紧固件箱体M16吊耳螺栓断裂失效分析中国特种设备安全(2022年5期)2022-08-26紧固件防松类别及试验标准浅析机械工业标准化与质量(2022年7期)2022-08-12一种300t焊接设备顶部起重吊耳的设计研究锻压装备与制造技术(2021年3期)2021-08-13开启窗五金件连接处紧固件的选用及松动原因探究上海建材(2020年3期)2020-09-25基于五轴机器人的平板显示器紧固件自动锁紧解决方案装备制造技术(2019年12期)2019-12-25船用吊耳结构优化船海工程(2019年3期)2019-07-03板式吊耳设计中的相关计算石油化工建设(2018年4期)2018-11-30高牌号灰铁前端箱体质量提升中国铸造装备与技术(2017年6期)2018-01-22飞机装配预连接紧固件自动化安装末端执行器设计制造技术与机床(2017年9期)2017-11-27超大型冷剪箱体加工难点分析工业设计(2016年4期)2016-05-04