基于磷酸铁锂电池的电力储能抗震机柜模态分析

徐辉，李炜

（1.河北工程大学 机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038；2.中航锂电（洛阳）有限公司，河南 洛阳 471009）

0 引言

伴随着计算机技术和网路技术的快速发展，基于智能控制的微电网电力控制技术的发展需求变得越来越迫切，而电力储能技术是智能微电网技术中的关键一环。电力储能机柜作为电力储能技术的核心，在智能微电网的建设中很关键，因为在系统建设时，电力设施和装备均通过电力储能机柜进行布置。电力储能技术在智能微电网中的作用主要有3点：1）协调整个电网的负荷水平，起到削峰填谷的作用；2）与无功补偿设备相结合，改善电网的供电质量；3）辅助可再生能源发电技术，获得稳定的电力输出。特别是边远地区及孤立的海岛等特殊地区，它们拥有独立的风力发电和光伏发电系统，不与整个电网连接，电力储能设备是其正常使用的关键。

电力储能设备一般是通过机柜来进行安装的，单台储能机柜的质量为1.3 t左右。而电力储能机柜的安装地一般是在边远地区或者海岛地域，这些地域环境条件相对比较复杂，运输过程非常艰难。除此之外，还要考虑其使用地区的抗震等级（一般均要求抗震等级在7级烈度以上），避免出现因抗震等级不够对电力储能设备造成破坏。这就要求电力储能机柜在提吊、运输、安装、拆卸及抗震抗冲击时，拥有足够的静载和动载负荷下的承受能力，这将直接影响电力储能设备产品顺利交付和随后的安全使用。

1 现有机柜调研分析

当前，在国内电力储能机柜仍处于示范阶段，尤其是专门针对重载、抗震型电力储能机柜的开发就更少了。通常情况下，一般选用电力行业中较为常用的机柜类型：C形型材机柜、9折型材机柜和16折型材机柜等。但这几类储能机柜的承载能力一般都不大于1 t，如果使用环境的抗震要求在8级烈度以上，那么这几类机柜的抗震能力就不够[1]。表1所示是电力行业中常用的几种机柜主型材的参数分析表，其中的15折型材为本文所采用的机柜主型材参数[2]。

表1 几种机柜型材对比表

2 电力储能机柜的固有特性分析

本文采用一种新研发的15折机柜立柱型材，部分折处为双层结构、两边拍平结构和两层折叠结构。该立柱型材充分考虑了储能机柜的承载要求、使用环境及运输条件，开发出满足电力储能设备要求的重载型机柜，其具有质量轻、强度高、电气安装维修方便、使用范围宽等特点。机柜尺寸为1200 mm×800 mm×2200 mm，机柜主立柱的截面形状如图1所示。

图1 机柜主立柱型材截面形状

侧横梁的主要作用是和4 根主立柱焊接在一起，从而形成储能机柜的主框架，同时承受机柜起吊时的静载荷。侧横梁采用如图2所示的横梁截面。

图2 侧横梁截面示意图

为使储能机柜满足实际的承载和抗震需要，机柜主框架采用全焊接的加工方式，将主立柱横梁、侧横梁、前后竖支撑横梁、前罩板等焊接成如图3所示的机柜框架，然后在机柜框架上安装支撑横梁。机柜分为6层，每层排布2个储能电池组单元，整个机柜共放置12个储能电池组单元，每个储能电池组单元的质量在100 kg以上，整个机柜的承载质量大于1.2 t。

以图3所示的机柜为例，进行机柜框架固有特性力学分析。应用有限元分析软件ANSYS构建机柜框架有限元模型，对模型进行简化，去除多余的零部件，并调整机柜架中零件的尖角、倒角。通过对机柜框架的模态分析，研究整个机柜中储能电池组单元的力学分布情况，为机柜框架结构设计优化提供依据[3]。

图3 机柜框架结构模型

采用模态分析的方法来求证机柜框架的固有频率，目的是在设计时将其作为约束条件，防止机柜在使用时发生共振。在设计阶段将其作为设计输入参考，对机柜框架结构强度进行优化和加强，避免机柜在使用过程中发生共振，避免对机柜设备造成破坏。

图4所示为频率比（ω/ωn）与振幅比（B/Bn）之间的关系。当频率比远小于1（即ω<<ωn）时，随着阻尼比的增大，曲线趋于平缓，此时惯性力与阻尼力较小，动载荷主要与弹性力平衡。当频率比远远大于1（即ω>>ωn）时，此时振幅主要取决系统惯性，动载荷主要与惯性力平衡。当频率比接近于1（即ω=ωn）时，振幅急剧增大，产生共振现象，此时阻尼越大，振幅越大[4]。

图4 频率比与振幅比的关系

系统的固有频率是固有特性，只与其刚度、质量和阻尼有关，与外界的激励无关。单自由度有阻尼系统的固有频率计算公式[5]为

式中：m为系统的质量；k为系统的刚度；c为系统的阻尼。

为使系统满足以固有频率为约束的优化结果，可以通过调整系统的刚度、质量和阻尼来调整系统的固有频率。因此可以通过ANSYS软件对机柜框架的薄弱环节进行加强，从而达到优化设计的目的。

3 电力储能机柜的模态分析

3.1 建立有限元模型

为避免由于机柜框架有限元网格划分过密，单元数量过多，从而造成计算分析时间过长，或进入死循环而中途死机，在进行模态分析之前，需要建立合适的有限元简化模型。因此需要对电力储能机柜的三维CAD模型进行适度的简化，删除机柜主立柱和横梁上的减重孔，去除多余的零部件，对机柜中零件的尖角、倒角进行调整。经过对机柜框架的优化，得到简化后的CAD模型，再通过有限元分析软件ANSYS的无缝传递技术，将CAD模型导入到有限元软件中。简化后的机柜模型和划分的网格模型如图5所示。

图5 机柜框架有限元分析网格模型

3.2 机柜的模态分析

模态分析是动力学分析的基础。对机柜框架进行模态分析，可提前避免机柜可能引起的共振，也有助于在其它动力学分析中估算求解控制参数等。机柜的振动特性决定了结构对各种动力载荷的响应情况，进行谐响应分析、随机振动分析等动力学分析之前都要进行模态分析[6]。机柜模型的频率计算结果如图6所示。

图6 模型频率计算结果

在机柜框架网格模型的底部施加约束并求解，得到模型的固有频率和振型，为进行随机振动分析提供参考。经过施加约束条件，对储能机柜进行带约束的模态分析，在边界条件设置完成后，对机柜模型进行求解，前12阶频率及振型的计算结果如表2所示。

表2 前6阶频率及振型

地震的截止频率为33 Hz，根据模态分析结果可知，只有前3阶模态小于地震截止频率，第3阶的模态频率和地震截止频率较为接近，在一定程度上容易发生共振。提取模态分析的前6阶模态结果，机柜框架在不同模态下的形变云图如图7所示，变形量如图8所示。

图7 机柜前6阶模态形变云图

图8 机柜框架变形量

结合变形量及形变云图，随着模态阶数的增加，模型的变形量呈现先增后减的趋势，第3、第4阶模态下的变形量较大，因为这两阶的模态频率和地震截止频率较为接近，更容易产生共振。从第4阶开始模态频率就高于地震的截止频率，此后的计算结果参考意义不大。模型的前两阶模态为弯曲振型，其余模态为弯扭组合振型。

3.3 机柜框架水平及垂直方向随机振动分析

在进行机柜模态分析后，将模态分析结果文件作为约束条件，施加在随机振动模拟中，分别设置水平加速度和垂直加速度为0.2g和0.1g。

经过分析求解，得到机柜最大变形图和等效应力分布图。在机柜等效应力图中，部分点的数据由于分析中一些尖角和圆孔的存在，造成网格划分中存在一定的网格畸变，分析结果有一定的偏差值，此部分可不计入分析结果，只需观察等效应力均匀分布的部位应力值的大小，均匀分布的应力值已标示在结果中，如图9、图10所示。

图9 机柜水平方向随机振动分析

图10 机柜垂直方向随机振动分析

通过分析云图可知，水平和垂直方向上的振动变形量很小，均不超过1 mm，故此类变形可忽略不计。从机柜框架水平方向振动分析中可以看出，大部分关键结构和连接处的等效应力都不超过100 MPa，图中最大值处应力值偏高，是由于框架上的圆孔圆角处网格畸变所造成的计算结果失真，可不予考虑。在垂直方向上，最大的等效应力值为35.146 MPa。机柜选用的材料为Q235，材料的屈服强度σs=235 MPa，抗拉强度σb=375～500 MPa，屈服强度和抗拉强度数值都高于模型分析的最大值，满足水平和垂直方向振动的强度设计需求。

参考GB/T 2424.25-2000和IEC 60060-2-57:1999中的规定，立柱弯曲、底座变形断裂等为永久变形，根据分析结果加强电池柜后并未出现大的变形等情况；在上述标准中要求实验期间最大偏移量不应超过50 mm，分析中机柜的最大变形远小于50 mm，完全满足标准要求。

4 电力储能机柜的试验验证

在完成电力储能机柜的结构设计和分析优化之后，按照优化后的加工图样加工出机柜样柜之后，进行了振动和抗震试验，验证结构设计和模态分析的结果。

4.1 振动试验

在振动试验过程中，按照表3和表4数据进行参数设定。

表3 振动试验条件

表4 冲击试验条件

机柜振动试验结果：机柜样品在整 个 振动、冲击过程中，内部模拟的载荷和机柜实际安装的载荷相同，机柜试验过程中，其X、Y、Z轴各个方向的受力情况分别如图11、图12、图13所示。

图11 机柜在X轴向振动试验曲线

图12 机柜在Y轴向振动试验曲线

图13 机柜在Z轴向振动试验曲线

试验结论：机柜样品在各个轴向试验结束后，均发现样品柜门内侧的螺钉有脱落、松动现象。样品其他部位外观、结构未发现明显变形、松动及断裂等异常现象。样品功能、性能也未出现较大的损伤和破坏。

4.2 抗震试验

为了验证机柜的抗震性能，参照YD 5083-2005电信设备抗地震性能检测规范进行试验，参照抗震等级为烈度7级。抗地震性能考核中，采用单轴正弦五拍波，每拍5周（如图14）。

图14 5周期的5个正弦共振拍波序列

固有频率和反应倍率如表5、表6所示，对设备进行抗地震性能考核时，水平方向输入波形加速度计算公式为

表5 水平方向固有频率及反应倍率

表6 垂直方向固有频率及反应倍率

式中：aH为水平方向输入波形加速度；k1为设备重要度系数，该实验取1.0；k2为建筑物楼面加速度放大倍率，该实验取2；a1为地面加速度，按照7级烈度核算，正弦共振拍波水平取0.1，垂直取0.08。

试验结果：机柜外形结构完整，主体结构有轻微变形，机柜连接部分部位允许有损伤，但焊接部位完整，螺栓有脱出和脱落，总体符合YD 5083-2005抗震试验要求。

5 结论

运用ANSYS软件对机柜框架进行模态分析可以发现，机柜在模态受力作用下，机柜主要发生整体扭转、弯曲变形，但变形量和扭转量都处在允许的范围内。机柜的主要薄弱环节发生在主立柱型材和横梁的连接部位。因此可以在设计和加工时，对这些薄弱部位进行加强予以改善。增加机柜的支撑梁，可以优化机柜框架的承载受力，改变系统的固有频率。改变主立柱支撑梁的截面形状，也可以改变系统的固有频率。通过对机柜结构进行模态分析，可以查找出机柜框架结构设计上的薄弱环节，从而在设计阶段予以规避或者改进完善。通过机柜框架的模态分析结果发现，通过改变机柜框架质量和刚度分布，可以改变固有频率及振型，为机柜框架后期的动态优化设计和动态环境试验的模拟提供可靠的数据。

根据结构设计的情况，加工出机柜框架的样品，并对机柜框架样品进行了振动试验，在试验过程中，机柜框架仅出现了螺钉松动和轻微变形的情况，均在标准的允许范围内，机柜没有倾倒、断裂等破坏情况发生。