儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)的母線排主要用于電池模塊的充放電作業(yè)，是儲(chǔ)能集裝箱的重要組成部分之一，它的可靠運(yùn)行將直接影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于母線排在電池充放電過程中的電壓與電流較大，在母線排的設(shè)計(jì)過程中，必須考慮其空間布置是否滿足電氣絕緣要求。

在母線排的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面：一是要考慮母線排隨集裝箱運(yùn)輸時(shí)在重力加速度、轉(zhuǎn)彎側(cè)向加速度、剎車制動(dòng)加速度作用下的變形與應(yīng)力；二是要考慮母線排作業(yè)時(shí)在重力加速度、地震力及電動(dòng)力作用下的變形與應(yīng)力；三是要考慮母線排的固有頻率，在運(yùn)輸和作業(yè)時(shí)盡量回避，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

本文以某儲(chǔ)能集裝箱母線排為例，基于Ansys軟件的電場(chǎng)與靜力學(xué)仿真分析模塊，通過AutoCAD和UG軟件建立二維電場(chǎng)分析模型和三維結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件與力學(xué)載荷，對(duì)集裝箱內(nèi)母線排系統(tǒng)在不同工況下的電場(chǎng)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，并將最終的仿真結(jié)果與各種材料的理論極限值進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證母線排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為此類電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 母線排結(jié)構(gòu)與工況分析

儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)的母線排結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，共包括4種主要部件：瓷質(zhì)絕緣子、銅母線排、環(huán)氧樹脂板、環(huán)氧樹脂角板。銅母線排總共有“+”極和“-”極兩根，使用螺栓將環(huán)氧樹脂板和環(huán)氧樹脂角板固定在“+”極和“-”極銅母線排之間，保證“+”極和“-”極銅母線排之間的相對(duì)穩(wěn)定與絕緣距離。銅母線排上部連接有瓷質(zhì)絕緣子，再通過螺栓將瓷質(zhì)絕緣子固定在儲(chǔ)能集裝箱的天花板（金屬材質(zhì)）上，利用瓷質(zhì)絕緣子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及絕緣性，保證整個(gè)母線排系統(tǒng)的相對(duì)固定及相對(duì)于集裝箱天花板的絕緣性。

圖1 母線排結(jié)構(gòu)示意圖

母線排在電池進(jìn)行充放電的過程中需要考慮的工況主要有：①母線排帶電后的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與絕緣情況；②母線排結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)輸、作業(yè)時(shí)的受力和變形情況，以及母線排在此種工況下應(yīng)回避的固有頻率。

為獲得上述工況下母線排的工作狀態(tài)，需對(duì)母線排結(jié)構(gòu)進(jìn)行電場(chǎng)和靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，驗(yàn)證其空間布置及結(jié)構(gòu)的合理性。

2 電場(chǎng)分析

電場(chǎng)分析的步驟有：建立模型、指定材料、劃分網(wǎng)格、施加邊界條件、求解、結(jié)果后處理。Ansys Mechanical APDL電場(chǎng)仿真分析的流程如圖2所示。

由于儲(chǔ)能集裝箱是一個(gè)比較規(guī)則的長方體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿長度方向基本一致，那么僅需要截取儲(chǔ)能集裝箱某一段的橫截面進(jìn)行二維的電場(chǎng)分析，就可以說明母線排在帶電后的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。

圖2 電場(chǎng)仿真分析流程

儲(chǔ)能集裝箱艙體的橫截面如圖3所示，除了母線排系統(tǒng)中包含的瓷質(zhì)絕緣子、銅母線排、環(huán)氧樹脂板、固定螺栓外，還包含電纜槽盒、電池架、集裝箱艙體。

圖3 儲(chǔ)能集裝箱艙體橫截面

為了滿足充放電作業(yè)時(shí)的容量要求，儲(chǔ)能集裝箱中的電池模塊往往需要各種形式的串聯(lián)與并聯(lián)，這樣就會(huì)在母線排上產(chǎn)生一個(gè)較大的電壓，本文中的母線排系統(tǒng)在充電時(shí)的最大終止充電電壓約為900V，下面以20℃和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為環(huán)境條件，對(duì)母線排在最大充電電壓下的電場(chǎng)進(jìn)行分析。

使用Ansys Mechanical APDL進(jìn)行電場(chǎng)仿真所需的二維模型可通過AotoCAD或CAXA進(jìn)行繪制，繪制完成后保存成igs格式導(dǎo)入Ansys Mechanical APDL中。模型除了包含儲(chǔ)能集裝箱艙體橫截面內(nèi)的各部件外，還需要建立相應(yīng)的求解域，一般以模型的外輪廓為基礎(chǔ)，向外延伸5倍的輪廓線距離作為求解域的邊界。

在進(jìn)行電場(chǎng)分析時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度的分布除與電壓有關(guān)外還與帶電體周圍物體的材質(zhì)有關(guān)，由于各種材質(zhì)的介電常數(shù)不同，導(dǎo)致帶電體周圍的電場(chǎng)在各種物質(zhì)上呈現(xiàn)出不同的分布狀態(tài)，本文所述儲(chǔ)能集裝箱艙體內(nèi)各零件介電常數(shù)見表1。

表1 艙體內(nèi)各零件介電常數(shù)

在進(jìn)行電場(chǎng)分析時(shí)，可以使用Ansys Mechanical APDL內(nèi)默認(rèn)的自動(dòng)劃分模式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

由于艙體、電池架及電纜槽盒最終均會(huì)接地，故在艙體、電池架及槽盒上施加0V電壓，在求解域的邊緣處也施加0V電壓，在銅母線排上施加+900V的電壓。施加完以上邊界條件后即可對(duì)模型進(jìn)行求解。求解完成后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，使其顯示出母線排周圍的電壓和電場(chǎng)強(qiáng)度分布，分別如圖4和圖5所示。

圖4 母線排周圍電壓分布

由圖4可知，當(dāng)母線排帶有900V最大充電終止電壓時(shí)，在銅母線排的邊緣、絕緣子的上傘裙處出現(xiàn)了電場(chǎng)集中的現(xiàn)象，但該處的電場(chǎng)強(qiáng)度僅為137V/mm，遠(yuǎn)小于空氣的擊穿強(qiáng)度3kV/mm，也遠(yuǎn)小于陶瓷的擊穿強(qiáng)度14kV/mm，說明本文所論述的母線排結(jié)構(gòu)與周圍其他零部件間的距離滿足電氣絕緣的要求。

圖5 母線排周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布

通過圖5可知，當(dāng)母線排周圍間距在2～4mm（根據(jù)CAD圖紙測(cè)量所得）時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度分布較集中。因此，為驗(yàn)證母線排與艙體間的安全距離，對(duì)同等條件不同間距下的母線排結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。

不同間距下母線排周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖6～圖8所示，當(dāng)母線排與艙體頂面距離3.5mm時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為2.7kV/mm；當(dāng)母線排與艙體頂面距離3.2mm時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為2.9kV/mm；當(dāng)母線排與艙體頂面距離3mm時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為3.2kV/mm。

由此可以確定在900V的電壓下，此種母線排結(jié)構(gòu)對(duì)艙體的安全距離約為3.2～3.5mm，但可以確定當(dāng)間距大于3.2mm時(shí)是絕對(duì)安全的。由于瓷質(zhì)絕緣子尺寸限制，以及母線排受力變形的影響，本文所述母線排結(jié)構(gòu)的空間布置已是最優(yōu)狀態(tài)。

圖6間距3.5mm時(shí)母線排周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布

3 靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

Ansys Workbench靜力學(xué)仿真分析流程如圖9所示。從圖9可知，靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析的步驟有：建立三維模型、指定材料、劃分網(wǎng)格、施加約束及載荷、求解、結(jié)果后處理。

圖7間距3.2mm時(shí)母線排周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖8 間距3mm時(shí)母線排周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖9 靜力學(xué)仿真分析流程

在進(jìn)行母線排的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析時(shí)，僅需要針對(duì)母線排自身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并不需要將整個(gè)艙體及其他零部件一同導(dǎo)入Ansys Workbench中計(jì)算。本文母線排的結(jié)構(gòu)計(jì)算需要考慮三種工況，即運(yùn)輸工況、作業(yè)工況和產(chǎn)生共振的工況。

在運(yùn)輸工況下，引起母線排產(chǎn)生變形和應(yīng)力的載荷主要有重力加速度、轉(zhuǎn)彎側(cè)向加速度、剎車制動(dòng)加速度；在作業(yè)工況下，引起母線排產(chǎn)生變形和應(yīng)力的載荷主要有重力加速度、地震力及母線排通電后的電動(dòng)力；母線排的共振是母線排的固有屬性，無需外加載荷。

在進(jìn)行上述三種工況下的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，Ansys Workbench提供了可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)共享設(shè)置，僅需在第一種工況下對(duì)母線排進(jìn)行模型導(dǎo)入、指定材料、網(wǎng)格劃分的操作，其余兩種工況可以通過分析模塊的拖拽實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及設(shè)置的共享，如圖10所示。

圖10 三種工況的數(shù)據(jù)及設(shè)置共享

使用Ansys Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析所需的三維模型可通過Solidworks或UG進(jìn)行創(chuàng)建，模型主要包括瓷質(zhì)絕緣子、銅母線排、環(huán)氧樹脂板、環(huán)氧樹脂角板。創(chuàng)建完成后保存成x_t格式導(dǎo)入Ansys Workbench中。

在進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析時(shí)，各零件的材料是影響母線排變形和應(yīng)力大小的主要因素之一。本文所述儲(chǔ)能集裝箱艙體內(nèi)各零件材料屬性見表2。

表2 艙體內(nèi)各零件材料屬性

使用Ansys Workbench內(nèi)默認(rèn)的自動(dòng)劃分模式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在給模型施加載荷及約束時(shí)，需根據(jù)不同的工況進(jìn)行施加。

3.1 運(yùn)輸工況

母線排安裝于集裝箱內(nèi)的天花板上，使用固定螺栓將母線排上的8個(gè)絕緣子與集裝箱艙體天花板進(jìn)行連接。在運(yùn)輸工況下進(jìn)行母線排強(qiáng)度分析時(shí)，可以將母線排上的8個(gè)絕緣子上頂面進(jìn)行固定，然后施加相應(yīng)的極限運(yùn)輸載荷進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)輸工況下母線排所承受的載荷見表3。

表3 運(yùn)輸工況下母線排所承受的載荷

完成上述設(shè)置與處理后，即可對(duì)母線排結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解及后處理，使其顯示出母線排系統(tǒng)中各零件在運(yùn)輸工況下的變形與應(yīng)力，分別如圖11～圖14所示。

圖11瓷質(zhì)絕緣子變形和應(yīng)力（運(yùn)輸工況）

圖12銅母線排的變形和應(yīng)力（運(yùn)輸工況）

圖13環(huán)氧樹脂板的變形和應(yīng)力-運(yùn)輸工況

圖14環(huán)氧樹脂角板變形和應(yīng)力-運(yùn)輸工況

3.2 作業(yè)工況

母線排在充放電作業(yè)時(shí)，可能承受的極限載荷有重力加速度、地震力及電動(dòng)力，并需考慮一定量的安全系數(shù)。由于兩根母線排是平行的，且電流方向相反，那么兩銅母線排間的電動(dòng)力為互斥的相互作用力。平行導(dǎo)體間電動(dòng)力的計(jì)算公式為

式（1）

式（1）中：F為電動(dòng)力；I1、I2為兩根銅母線排中的電流；l為兩根銅母線排的長度；a為兩根銅母線排間的距離。

由式（1）可知，電動(dòng)力的大小隨母線排上電流的變化而變化，當(dāng)母線排上出現(xiàn)最大極限電流時(shí)，母線排的電動(dòng)力最大。當(dāng)儲(chǔ)能集裝箱電池組發(fā)生直流短路時(shí)，母線排上就會(huì)出現(xiàn)最大極限電流，即儲(chǔ)能系統(tǒng)直流短路電流，那么I1和I2均按儲(chǔ)能系統(tǒng)直流短路電流取值。電動(dòng)力計(jì)算所需參數(shù)見表4。將表4中的參數(shù)代入式（1），可得電動(dòng)力F≈145.1N。

表4 電動(dòng)力計(jì)算所需參數(shù)

結(jié)合上述計(jì)算，在進(jìn)行母線排充放電作業(yè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，仍將母線排上的8個(gè)絕緣子上頂面進(jìn)行固定，按照表5的數(shù)據(jù)對(duì)母線排施加載荷。

表5 作業(yè)工況下母線排所承受的載荷

完成上述設(shè)置與處理后，即可對(duì)母線排結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解及后處理，使其顯示出母線排系統(tǒng)中各零件在作業(yè)工況下的變形與應(yīng)力，分別如圖15～圖18所示。

3.3 產(chǎn)生共振時(shí)的工況

任何物體的固有頻率都是它自身的固有屬性，無需外加載荷與約束，使用模態(tài)分析對(duì)母線排系統(tǒng)進(jìn)行固有頻率計(jì)算。

圖15瓷質(zhì)絕緣子變形和應(yīng)力-作業(yè)工況

圖16銅母線排的變形和應(yīng)力-作業(yè)工況

圖17環(huán)氧樹脂板變形和應(yīng)力-作業(yè)工況

圖18環(huán)氧樹脂角板變形和應(yīng)力-作業(yè)工況

完成上述設(shè)置與處理后，即可對(duì)母線排結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解及后處理，使其顯示出母線排的固有頻率，如圖19所示。

圖19 母線排系統(tǒng)的固有頻率

對(duì)母線排系統(tǒng)的運(yùn)輸、作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表6。

表6運(yùn)輸作業(yè)工況下母線排系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)母線排系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到母線排系統(tǒng)的固有頻率為2.33×10◆3Hz、0.432Hz、0.573Hz、2.552Hz，那么在母線排系統(tǒng)隨集裝搬運(yùn)或作業(yè)過程中，需要盡量回避上述4個(gè)頻率。儲(chǔ)能集裝箱在作業(yè)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生周期性激勵(lì)，僅在運(yùn)輸過程中會(huì)承受車輛發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)，而車輛發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)范圍一般為16～125Hz，與母線排的4個(gè)共振頻率相差很大，因此不會(huì)引起共振。

為驗(yàn)證上述分析的正確性，將母線排安裝在集裝箱內(nèi)，對(duì)母線排進(jìn)行吊裝（CSC認(rèn)證）及顛振試驗(yàn)，如圖20和圖21所示。

圖20 CSC吊裝試驗(yàn)

圖21 運(yùn)輸顛振試驗(yàn)

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，在吊裝及顛振運(yùn)輸（加速度為4g）狀態(tài)下，母線排未產(chǎn)生明顯變形及破壞，說明此母線排結(jié)構(gòu)合理，滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文以某儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)的母線排為研究對(duì)象，使用AutoCAD和UG軟件建立二維電場(chǎng)分析模型和三維結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，并使用Ansys Mechanical APDL和Ansys Workbench軟件對(duì)集裝箱內(nèi)母線排系統(tǒng)在不同工況下的電場(chǎng)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，并將最終的仿真結(jié)果與各種材料的理論極限值進(jìn)行比對(duì)，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)電場(chǎng)仿真的結(jié)果，可以判定本文論述的母線排結(jié)構(gòu)與周圍其他零部件間的距離滿足電氣絕緣的要求，空間結(jié)構(gòu)布置合理。

2）根據(jù)靜力學(xué)結(jié)構(gòu)仿真的結(jié)果，可以判定母線排結(jié)構(gòu)中的各零部件在運(yùn)輸及充放電作業(yè)時(shí)所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)小于其極限破壞強(qiáng)度，說明該母線排結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

3）由于儲(chǔ)能集裝箱在作業(yè)時(shí)沒有周期性振動(dòng)激勵(lì)，那么僅需將母線排模態(tài)分析的結(jié)果與儲(chǔ)能集裝箱在運(yùn)輸過程中可能承受的振動(dòng)頻率進(jìn)行對(duì)比，二者相差很大，故母線排結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸及作業(yè)過程中不會(huì)產(chǎn)生共振，結(jié)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定。

本文編自2022年第3期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“儲(chǔ)能系統(tǒng)用母線排電場(chǎng)及靜力學(xué)仿真分析”，作者為楊釗、董瑞 等。