目前全球疫情下經(jīng)濟下滑，燃油車已慢慢勢弱，電動汽車正處于高速發(fā)展期。連接動力電池與整車其他高壓電器設(shè)備的高壓配電箱是電動汽車的重要組成部件。因此，研究高壓配電箱結(jié)構(gòu)的可靠性對整車具有重要意義。電動汽車運行過程中，振動對高壓配電箱結(jié)構(gòu)可靠性的影響成為主要因素。星拓環(huán)境試驗設(shè)備廠家根據(jù)其實際工作環(huán)境，對高壓配電箱使用振動試驗臺進行隨機振動仿真分析，并通過隨機振動試驗進行驗證。

一：高壓配電箱的設(shè)計模型

根據(jù)整車的結(jié)構(gòu)和電量需求，高壓配電箱一般分為單支路單充、雙支路雙充、三支路雙充三種結(jié)構(gòu)。本文以單支路單充高壓配電箱作為研究對象。

根據(jù)單支路單充高壓配電箱電氣原理，確定各電氣部件的安裝位置，從而確定高壓配電箱箱體總尺寸為304mm×404mm×216mm(長×寬×高)、底板尺寸為278mm×360mm×15mm，并可確定其他相關(guān)尺寸。尺寸確定后，對高壓配電箱內(nèi)線束進行布局。最終設(shè)計的高壓配電箱的三維模型如圖1所示。

該設(shè)計模型使BMS主板的安裝方便靈活，從而減小了配電箱的整體重量和空間尺寸，并在配電箱內(nèi)增加了水冷機組高壓回路和水冷DC/DC高壓回路，為液冷電池系統(tǒng)的水冷機組提供高、低壓電，以驅(qū)動整車空調(diào)制冷或制熱液冷板內(nèi)的液體，帶走電池包內(nèi)的熱量或者給電池包提供熱量，有利于電池包內(nèi)的熱量保持平衡。

有限元模型的建立

為避免出現(xiàn)仿真運算不收斂以及網(wǎng)格劃分不合理等問題，在保證不影響模型尺寸、剛度、形狀以及仿真結(jié)果的前提下，采用SCDM建模軟件去除設(shè)計模型中的小特征結(jié)構(gòu)。將簡化后的模型導(dǎo)入HyperMesh仿真建模軟件，建立高壓配電箱的有限元模型。其中箱體、箱蓋、底板(材料為Q235)以及銅排(材料為紫銅)等采用shell181單元參數(shù)，單元數(shù)量為83920;

繼電器、接插件等電器元件采用solid185單元進行離散，單元數(shù)量為31206。不同shell單元的厚度依據(jù)各鈑金件的實際厚度設(shè)定。網(wǎng)格劃分完成后，建立各零部件之間的連接關(guān)系，最后對各零部件賦予相應(yīng)的單元屬性、材料屬性等。高壓配電箱的有限元仿真模型總重約21.2kg，與實際稱重相差5%以下。

二：高壓配電箱使用振動試驗臺做隨機振動仿真分析

將1.2節(jié)建立的高壓配電箱有限元模型導(dǎo)入ANSYS求解軟件中，進行隨機振動仿真分析。

2.1模態(tài)分析

在模型中設(shè)置高壓配電箱安裝孔位全約束的邊界條件(此處是模態(tài)分析的邊界條件)。因為低階頻率對結(jié)構(gòu)強度的影響較大，所以模態(tài)分析只針對低階頻率進行。高壓配電箱前15階頻率見表1，典型振型如圖2所示。

根據(jù)以上模態(tài)分析結(jié)果可知，高壓配電箱整體頻率較高，一階模態(tài)頻率超過40Hz，遠遠避開了整車的一階固有頻率26Hz，因此高壓配電箱設(shè)計模型的整體剛度適中。

2.2振動試驗臺隨機振動分析

采用模態(tài)疊加法對高壓配電箱的主要結(jié)構(gòu)部件進行隨機振動強度分析。本文只分析對高壓配電箱結(jié)構(gòu)強度影響最大的垂向振動，設(shè)置邊界條件:安裝孔位在橫向、縱向施加全約束以及在垂向施加轉(zhuǎn)動約束;根據(jù)模態(tài)結(jié)果導(dǎo)入模態(tài)頻率范圍為0～400Hz;在高壓配電箱安裝孔位垂向施加基礎(chǔ)PSD值;施加振動阻尼比0.02。高壓配電箱各主要部件的1σ應(yīng)力分布仿真結(jié)果見表2。

結(jié)果表明，本文所設(shè)計的高壓配電箱模型的振動應(yīng)力很小，結(jié)構(gòu)強度較高。

3振動試驗臺隨機振動試驗驗證

按照上述設(shè)計模型制造樣品，并使用eDAQ設(shè)備進行模態(tài)及振動強度試驗。

1)對該樣品的箱體結(jié)構(gòu)進行模態(tài)測試。在高壓配電箱體上安裝8個三向加速度傳感器，采用移動力錘敲擊法，運用nCode中的模態(tài)分析模塊進行數(shù)據(jù)處理。模態(tài)試驗結(jié)果如圖3所示，結(jié)果表明，該樣品在頻率為42Hz、74Hz和135Hz時容易產(chǎn)生共振，但這3個頻率都遠遠大于整車一階固有頻率26Hz，與仿真結(jié)果相符。

2)在振動臺上對樣品進行垂直方向的隨機振動強度測試，頻率范圍為0～400Hz;在結(jié)構(gòu)件上貼應(yīng)變片，貼片位置為仿真結(jié)果中應(yīng)力最大處;運用nCode中的疲勞分析模塊進行數(shù)據(jù)處理。樣品各主要部件的振動最大應(yīng)力試驗結(jié)果見表3。從表中可知，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符。

 本文對一款高壓配電箱進行隨機振動仿真分析，并通過隨機振動試驗進行驗證。結(jié)果表明，該款高壓配電箱整體剛度較好、整體強度較高，理論上能夠滿足電動汽車的使用需求。