超充标准再升级！Ansys动力电池包系统结构模态振动冲击疲劳全流程实战-无缝衔接

导读：一个月前，笔者通过《ANSYS显式动力学仿真-破解流固耦合难题和复合材料失效分析》向读者介绍了我的ANSYS显式动力学仿真教程《ANSYS冲击爆炸侵彻仿真高阶实战8讲》，深受用户的喜爱。今天由我原创首发仿真秀官网的《ANSYS汽车动力电池包系统结构CAE分析34讲-Workbench LS-DYNA模态振动冲击疲劳实战》也正式上线了。

本视频教程立足于工程实践需求，系统整合了汽车动力电池包系统的国标测试规范与现代化仿真技术，旨在为相关领域的学习者和工程师提供一套完整、高效的专业能力提升方案，详情见后文。

一、行业热点：动力电池安全与轻量化需求激增  

2025年4月，宁德时代最新发布的第二代神行超充电池，通过12C峰值充电功率与800km续航的完美结合，将行业超充标准提升至新高度。该技术实现了锂离子亚微米级快速传输和SEI膜动态修复，将电芯内阻降低40%以上，这些突破标志着动力电池技术已从单纯追求能量密度，进化到超充性能、热安全管理和低温可靠性的全方位提升阶段。  

据中国汽车动力电池产业创新联盟最新统计，2024年1-6月我国新能源汽车动力电池累计装车量达226.8GWh，同比增长42.3%，但电池包结构失效引发的安全事故占比仍高达21.5%（工信部2024Q2新能源汽车运行安全报告）。行业在加速推进超充技术迭代（2024年新增4C超充车型占比达41%）的同时，如何在轻量化与安全性之间取得平衡，仍是行业内的核心挑战。  

针对安全性要求，国家就制定过诸如GB/T 31484-2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》、GB/T 31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》、国标GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》等规定。  

图片来自我的视频课程     

其中国标GB 38031-2020，对电池包提出的测试标准如下：  

• 挤压测试：100kN挤压力下保持10分钟，电解液泄漏量≤5ml；    

• 振动测试：按GB/T 31467.3进行随机振动，持续21小时无结构失效；    

• 跌落测试：模组从2m高度自由跌落至钢板，SOC保持率≥90%；    

• 机械冲击：底部球击试验（直径150mm钢球，冲击力100kN），实验结束后绝缘电阻≥100Ω/V。    

单纯的试验法已无法满足日益内卷的汽车行业的快速迭代的要求，目前诸多头部企业已将仿真作为预研产品可行性，实现降本增效，优化设计，实现“设计-验证-优化”闭环，显著降低开发成本并提升国标测试通过率。  

对汽车动力电池包结构进行有限元仿真的核心价值可归纳为以下六点：  

• 设计优化效率倍增    

• 物理试验成本压缩    

• 安全风险前置管控    

• 轻量化与性能平衡    

• 加速法规合规进程    

如：小米汽车将仿真技术运用到冷却系统散热、汽车纵梁结构吸能的模拟中，实现对产品设计的量化评估和有效优化。  

接下来，让我们一同深入探索并解析动力电池包结构仿真关键技术，以技术拆解-难点剖析-方案落地-数据验证为主线，实战化提升仿真技能。  

二、动力电池包结构仿真理论框架
 

1、具体模型处理过程如下：  

2、模态分析（约束模态）理论

约束模态分析是研究装配体结构动态特性的重要手段，在工程实践中具有关键应用价值。其核心作用主要体现在三个方面：  

（1）结构动力特性评估：通过计算结构在特定频率下的振动形态（即模态振型），可直观反映其刚度分布特征，为结构刚度评估提供定量依据。  

（2）结构优化与动力学分析基础：模态分析结果可作为结构优化设计（如刚度强化、轻量化改进）的输入条件，同时也是开展频响分析、随机振动分析等复杂动力学仿真的前置步骤。  

（3）实现方法分类：根据实施手段不同，模态分析可分为两类：基于物理试验获取的试验模态，以及通过有限元数值计算得到的计算模态。两者互为补充，共同支撑结构动力学性能的全面评估。  

通过计算的方法求解结构模态实质是求解该结构振动的平衡方程，就电池包而言方程为下式：  

其中 [M] 为质量矩阵，[C] 为阻尼矩阵，[K] 为刚度矩阵，{δ} 为节点加速度矩阵；{δ} 为速度列阵；{δ} 为位移列阵；{F} 为激励力矩阵。  

经简化后得：  

自由振动的相应振型和固有频率： 

带入简化可得：  

解出n个实根 (i=1,2,3,⋯,n)：  

对于固有频率，一般而言是与模型刚度成正相关，与质量成负相关。对于汽车动力电池，不应追求模态频率越高越好或越低约好，是需要根据振动激励源特性和结构可靠性需求进行针对性设计，常见路面激励（5-25Hz）及电机振动（50-200Hz），应以避开此频率区间为宜，通常建议一阶模态＞1.5倍最大激励频率。  

3、随机振动分析理论

随机振动分析：基于统计规律的谱分析方法  

随机振动分析是一种基于概率统计的动力学分析方法，适用于载荷变化较大但具有稳定统计特性的工况。其核心特点如下：

• 载荷表征方式：采用功率谱密度（PSD）函数作为输入，通过统计规律描述载荷的频域能量分布特性。    

• 分析方法：以模态分析得出的结构固有频率为基础，通过频响函数法进行求解。具体流程包括：1、在电池包X/Y/Z三向施加PSD振动激励；2、采用模态叠加法合成结构动态响应。    

• 工程适用性：特别适用于车辆行驶中由路面不平度、电机激励等引起的宽频带随机振动场景。    

通常假设随机振动分析过程符合高斯正态分布，其分析过程中假设均值为0，则随机振动中随机变量的自功率谱密度函数可表示为:  

经傅里叶变换后：  

式中，表示自相关函数，上式可用以下来表示:  

当，上式变为：  

则随机变量的均方根值为：  

为避免由振动对结构产生较大持续损伤，需注意以下原则：  

• 模态分离原则：确保电池包一阶固有频率＞1.5倍主要激励频率。    

• 反 共振点利用：通过有限元分析识别反 共振频率点，在此频段布置关键连接件。    

• 关键路径增强：对振动敏感区域（如模组固定点、高压接插件）采用局部增厚设计、高阻尼材料贴附。    

三、动力电池包结构仿真计算方法及结果  

1、机械冲击要求

2、挤压仿真要求

3、随机振动要求（以Z轴为例）：  

注意要点：1、模态频率覆盖PSD频率范围；2、有效质量参与系数超过总质量的80%~90%；3、合理阻尼比的选择（经验法和理论法）

4、仿真结果：

四、动力电池包结构仿真理论应用34讲  

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