一种电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法与流程

1.本发明涉及到池包快换结构技术领域，特别涉及一种电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法。


背景技术：

2.电池包快换技术是电动汽车充换电领域的新兴技术之一，相比传统的充电技术，快换技术可以在几分钟时间内进行电池包的整体更换，实现短时间充能的目的。某些快换结构需要频繁使用机械手自动锁紧，为了保证自动高效，不能采用牢固的螺栓连接形式。然而快换技术在一定程度上不可避免的存在底盘“松散”的特点，影响其结构及安全性能。
3.一些快换结构采用类似一种柔性的间隙连接、弹簧连接或者滚珠轴承连接，该类型的“柔性”连接无法将全部的自由度约束。
4.目前在工程动态仿真计算当中，螺栓的连接都采用自由度的定义，即约束螺栓固定的位置的特定自由度来近似拟合实际安装情况，进行仿真计算，满足研发项目要求。快换的“柔性”螺栓连接存在一部分自由度被全部约束，一部分自由度被全部放开，还有一部分自由度处于一种弹性连接的情况。
5.当前在动态计算中，采用rigid刚性单元模拟快换螺栓进行连接，其缺点是仅能选择是否约束或者放开其自由度，无法反映弹性连接对动态性能的影响，进而影响模型的仿真计算精度。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法，使用该电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法后，电池包快换结构的等效动态仿真模型可以用于建立无法完全固定的快换结构或者各向刚度有较大区别仿真模型，通过对标与参数识别使得仿真精度大大提高，采用bush单元可以设置六向刚度和六向阻尼参数，可以调节其刚度属性使之匹配快换结构的实际情况，采用自由度的定义，即约束电池包零部件固定的位置的特定自由度来近似拟合电池包实际情况，放开自由度进行仿真计算，利用优化技术逐步修正bush单元的六方向刚度和六方向阻尼属性参数，使仿真传递函数曲线的峰值位置和峰值大小和实测传递函数曲线一致，保证其真实反映快换结构的刚度性能，能够精准反映弹性连接对动态性能的影响，进而提高电池包网格模型的仿真计算精度,满足研发项目要求。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法，所述电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法包括如下步骤：s1、采用有限元方法，利用壳单元或三维实体单元，建立完整电池包的网格模型，网格模型包括电池包的零部件，使用有限元方法或有限元仿真软件按照真实材料的材料属性进行约束状态下的频响分析计算；
s2、计算电池包的加速度-频率曲线，通过数学计算将步骤s1中的快换连接的车端和电池包端的两条加速度-频率曲线进行处理，输出车端到电池包端的传递函数曲线，观察并分析传递函数曲线结果，确定传递函数曲线的主频的位置和峰值大小；s3、在振动台架上安装工装并搭载电池包进行扫频分析，根据步骤s2中网格模型的快换连接的车端位置和电池包端的位置，确定车端和电池包端上实际加速度传感器的设置位置，进行加速度-频率曲线采集；s4、观察并分析有限元方法或有限元仿真软件计算的传递函数结果，判断步骤s3中传递函数曲线峰值位置和峰值大小是否一致；如果步骤s3中传递函数曲线峰值位置和峰值大小与实际试验曲线不一致，则进行bush单元的六方向刚度和六方向阻尼的修正，直至仿真的传递函数曲线和实际试验的传递函数曲线一致时为止；s5、采用优化方法进行优化分析，优化并修正步骤s4中的bush单元的属性参数：六方向刚度和六方向阻尼，得到响应最小情况下的六方向刚度和六方向阻尼的参数，将参数保存并赋予快换机构连接bush单元，整包分析中可以直接调用。
8.本发明为了解决其技术问题，所采用的进一步技术方案是：进一步地说，在步骤s1中，在建立完整电池包的网格模型的过程中，快换连接采用bush单元建模，bush单元中采用经验赋予快换连接的属性参数：六方向刚度和六方向阻尼；在快换连接的车端和电池包端分别建立加速度-频率采集点，并设置输出快换连接的车端和电池包端的加速度-频率曲线。
9.进一步地说，采用500hz以内的频率，模态阻尼为0.5，进行模态法的频响分析。
10.进一步地说，设置加速度-频率曲线的采样频率为每赫兹1个点。
11.进一步地说，在步骤s2中，计算电池包的加速度-频率曲线过程中，采用5~200hz的频率，0.2g的扫频激励。
12.进一步地说，在步骤s3中，给振动台提供扫频频率及扫频振动激励，采集两个加速度传感器对应的加速度-频率曲线进行分析，通过振动台架给出的计算程序将两个加速度传感器的位置对应的扫频曲线进行数学计算，生成传递函数曲线。
13.进一步地说，给振动台提供5~200hz扫频频率，扫频振动激励为0.2g。
14.进一步地说，在步骤s4和步骤s5中，获取将bush单元中六方向刚度定义为优化变量var_kn，按照经验定义初始值为k0，根据经验定义优化范围k0*0.1~k0*10，其中，响应最小情况下的六方向刚度的表达为：k0*0.1≤ var_kn≤k0*0.1；其中，var_kn为六方向刚度优化变量；var_k1为x方向刚度；var_k2为y方向刚度；var_k3为z方向刚度；var_k4为y方向旋转刚度；var_k6为z方向旋转刚度；将bush单元中六方向阻尼定义为优化变量var_gen，按照经验定义初始值为ge0，根据经验定义优化范围ge0*0.1~ge0*10，响应最小情况下的六方向阻尼的表达为：ge0*0.1≤var_gen≤ge0*0.1；其中，var_gen为六方向阻尼优化变量；var_ge1为x方向结构阻尼；var_ge2为y方向结构阻尼；var_ge3为z方向结构阻尼；var_ge4为x方向旋转结构阻尼；var_ge5为y方向旋转结构阻尼；var_ge6为z方向旋转结构阻尼。
15.进一步地说，在步骤s4中，将仿真的传递函数曲线和实际试验的传递函数曲线进行曲线积分计算，并相减将其结果作为目标函数，具体公式为：
min
response
=|tfp
试验-tfp
仿真
| |tfh
试验-tfh
仿真
|；其中，tfp
试验
为试验传递函数一阶主频峰值；tfp
仿真
为仿真传递函数一阶主频峰值；tfh
试验
为试验传递函数一阶主频频率；tfh
仿真
为仿真传递函数一阶主频频率。
16.进一步地说，在步骤s1中，所述电池包的零部件至少包括上盖、模组、托盘。
17.本发明的有益效果是：本发明首先第一步采用有限元方法，利用壳单元或三维实体单元，建立完整电池包的网格模型，网格模型包括电池包的零部件，使用有限元方法或有限元仿真软件按照真实材料的材料属性进行约束状态下的频响分析计算；然后，第二步计算电池包的加速度-频率曲线，通过数学计算将第一步中的快换连接的车端和电池包端的两条加速度-频率曲线进行处理，输出车端到电池包端的传递函数曲线，观察并分析传递函数曲线结果，确定传递函数曲线的主频的位置和峰值大小；再然后，第三步，在振动台架上安装工装并搭载电池包进行扫频分析，根据第二步中网格模型的快换连接的车端位置和电池包端的位置，确定车端和电池包端上实际加速度传感器的设置位置，进行加速度-频率曲线采集；接着，观察并分析有限元方法或有限元仿真软件计算的传递函数结果，判断第三步中传递函数曲线峰值位置和峰值大小是否一致；如果第三步中传递函数曲线峰值位置和峰值大小与实际试验曲线不一致，则进行bush单元的六方向刚度和六方向阻尼的修正，直至仿真的传递函数曲线和实际试验的传递函数曲线一致时为止；最后，采用优化方法进行优化分析，优化并修正步骤s4中的bush单元的属性参数：六方向刚度和六方向阻尼，得到响应最小情况下的六方向刚度和六方向阻尼的参数，将参数保存并赋予快换机构连接bush单元，电池包快换结构的等效动态仿真模型可以用于建立无法完全固定的快换结构或者各向刚度有较大区别仿真模型，通过对标与参数识别使得仿真精度大大提高，采用bush单元可以设置六向刚度和六向阻尼参数，可以调节其刚度属性使之匹配快换结构的实际情况，采用自由度的定义，即约束电池包零部件固定的位置的特定自由度来近似拟合电池包实际情况，放开自由度进行仿真计算，利用优化技术逐步修正bush单元的六方向刚度和六方向阻尼属性参数，使仿真传递函数曲线的峰值位置和峰值大小和实测传递函数曲线一致，保证其真实反映快换结构的刚度性能，能够精准反映弹性连接对动态性能的影响，进而提高电池包网格模型的仿真计算精度,满足研发项目要求。
18.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
19.图1是本发明实施例中电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法的流程示意图之一；图2是本发明实施例中电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法的流程示意图之二；图3是本发明实施例中仿真计算的传递函数曲线图；图4是本发明实施例中实际试验的传递函数曲线图；图5是本发明实施例中仿真修正后的传递函数曲线图。
具体实施方式
20.以下通过特定的具体实施例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不背离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。
实施例
21.一种电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法，如图1-图5所示，电池包快换结构的等效连接仿真模型建立方法包括如下步骤：s1、采用有限元方法，利用壳单元或三维实体单元，建立完整电池包的网格模型，网格模型包括电池包的零部件，电池包的零部件包括上盖、模组、托盘等，使用有限元方法或有限元仿真软件按照真实材料的材料属性进行约束状态下的频响分析计算；其中，在建立完整电池包的网格模型的过程中，快换连接采用bush单元建模，bush单元中采用经验赋予快换连接的属性参数：六方向刚度和六方向阻尼；在快换连接的车端和电池包端分别建立加速度-频率采集点，并设置输出快换连接的车端和电池包端的加速度-频率曲线，可以调节其刚度属性及阻尼属性使之匹配快换结构的实际情况；较佳的，采用500hz以内的频率，模态阻尼为0.5，进行模态法的频响分析。
22.较佳的，设置加速度-频率曲线的采样频率为每赫兹1个点；s2、计算电池包的加速度-频率曲线，通过数学计算将步骤s1中的快换连接的车端和电池包端的两条加速度-频率曲线进行处理，输出车端到电池包端的传递函数曲线，观察并分析传递函数曲线结果，确定传递函数曲线的主频的位置和峰值大小，如图3所示；其中，计算电池包的加速度-频率曲线过程中，较佳采用5~200hz的频率，0.2g的扫频激励；s3、在振动台架上安装工装并搭载电池包进行扫频分析，根据步骤s2中网格模型的快换连接的车端位置和电池包端的位置，确定车端和电池包端上实际加速度传感器的设置位置，进行加速度-频率曲线采集，如图4所示；其中，给振动台提供扫频频率及扫频振动激励，采集两个加速度传感器对应的加速度-频率曲线进行分析，通过振动台架给出的计算程序将两个加速度传感器的位置对应的扫频曲线进行数学计算，生成传递函数曲线；较佳的给，振动台提供5~200hz扫频频率，扫频振动激励为0.2g；s4、观察并分析有限元方法或有限元仿真软件计算的传递函数结果，判断步骤s3中传递函数曲线峰值位置和峰值大小是否一致；如果步骤s3中传递函数曲线峰值位置和峰值大小与实际试验曲线不一致，则进行bush单元的六方向刚度和六方向阻尼的修正，直至仿真的传递函数曲线和实际试验的传递函数曲线一致时为止；s5、采用优化方法进行优化分析，优化并修正步骤s4中的bush单元的属性参数：六方向刚度和六方向阻尼，得到响应最小情况下的六方向刚度和六方向阻尼的参数，将参数保存并赋予快换机构连接bush单元，整包分析中可以直接调用，保证其真实反映快换结构的刚度性能和阻尼性能，进而保证其计算的精确性，如图5所示；较佳的，在步骤s4和步骤s5中，获取将bush单元中六方向刚度定义为优化变量var_kn，按照经验定义初始值为k0，根据经验定义优化范围k0*0.1~k0*10，其中，响应最小
情况下的六方向刚度的表达为：k0*0.1≤ var_kn≤k0*0.1；其中，var_kn为六方向刚度优化变量；var_k1为x方向刚度；var_k2为y方向刚度；var_k3为z方向刚度；var_k4为y方向旋转刚度；var_k6为z方向旋转刚度；将bush单元中六方向阻尼定义为优化变量var_gen，按照经验定义初始值为ge0，根据经验定义优化范围ge0*0.1~ge0*10，响应最小情况下的六方向阻尼的表达为：ge0*0.1≤var_gen≤ge0*0.1；其中，var_gen为六方向阻尼优化变量；var_ge1为x方向结构阻尼；var_ge2为y方向结构阻尼；var_ge3为z方向结构阻尼；var_ge4为x方向旋转结构阻尼；var_ge5为y方向旋转结构阻尼；var_ge6为z方向旋转结构阻尼。
23.进一步地说，在步骤s4中，将仿真的传递函数曲线和实际试验的传递函数曲线进行曲线积分计算，并相减将其结果作为目标函数，具体公式为：min
response
=|tfp
试验-tfp
仿真
| |tfh
试验-tfh
仿真
|；其中，tfp
试验
为试验传递函数一阶主频峰值；tfp
仿真
为仿真传递函数一阶主频峰值；tfh
试验
为试验传递函数一阶主频频率；tfh
仿真
为仿真传递函数一阶主频频率。
24.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。