我们上海赛一慧鑫信息技术有限公司已经完成为应对轨道交通复杂运行环境（如紧急制动、轨道冲击、意外碰撞等）对列车及列车部件安全构成的严峻挑战，文章针对当前动力电池柜集成度高、重量大、结构强度不足导致的安全风险（如机械变形、热失控及连接件疲劳失效等），开展面向高安全需求的柜体结构优化与强度分析。研究以EN12663: 2020《铁路应用 铁路车辆车体结构要求》为标准，明确电池柜机械强度及抗冲击振动性能指标，并通过计算机辅助工程（CAE）方法对柜体结构、模组载荷分布及材料强度进行系统性分析。针对现有设计的薄弱环节，提出高强度的结构改进方案，显著提升了电池柜的抗冲击和抗振动能力。仿真试验结果表明，优化后的电池柜在紧急制动工况下形变量为车体变形容差限值的46.7%，有效避免因强度不足引起的电池系统失效及火灾。

1  概述

随着全球轨道交通绿色低碳转型加速，电力机车、动车组等传统基于弓网供电车辆正逐步集成大容量动力电池系统，以实现冗余供电、能量回收及无接触网区段运行。然而，轨道交通复杂的运行环境,如紧急制动时的纵向冲击、轨道不平引发的连续振动、意外碰撞事故等，对车载动力电池柜的安全性构成严峻挑战。国际标准IEC61373: 1999明确规定铁道车辆需承受多向机械载荷，对车载电池系统这一高能量存储装置提出了更高的要求：1）防止机械损伤：剧烈冲击可能导致电池模组结构变形，引起内部短路；2）防止热失控：结构失效可能触发电池热失控链式反应，造成火灾等次生灾害；3）保证系统可靠性：长期振动环境加速连接件疲劳，影响电池寿命。因此，需开展面向轨道交通特殊工况的动力电池柜抗冲击振动结构优化与物理强度分析，为高安全级电池系统研制提供理论支持。本研究聚焦动力电池柜抗冲击振动协同优化设计，提出增加加强筋拓扑结构及模组托盘设计，通过计算机辅助工程（CAE）仿真验证其抗冲击效能。基于EN12663标准构建极限工况（纵向5g+垂向-1g）进行强度验证。结果表明，结构最大等效应力达289MPa（安全系数1.19），变形量1.4mm，满足标准要求的强度阈值，为动力电池柜抗冲击振动能力提供了有效的支撑。

2  动力电池柜设计要求

为满足特定项目电力机车天窗区低速运行要求和应急生活供电要求，单台机车配置两个动力电池柜，每个电池柜配置90kWh电量，使用3簇13个2P24S模组进行串联，采用功率型钛酸锂电池模组作为核心储能单元（见图1）。

如图2所示，动力电池柜由消防区、高压盘、模组区、低压盘、电抗器等区域组成。

3  动力电池柜结构设计

动力电池柜机械结构强度设计是确保其复杂工况（如运输、运行或意外发生）下机械完整性、内部组件安全及系统可靠性的关键。其核心目标在于有效衰减和分散外部传递的冲击载荷和振动能量，防止关键部位（尤其是电池模组）因过度的相对位移或动态应力而受损。该设计主要基于两方面的结构强化：模组托盘和结构加强筋。

3.1  模组托盘结构设计

模组托盘作为电池模组的直接承载与定位基体，其设计须具备足够的刚度和几何精度，通过精确的限位结构（如定位销、卡槽、弹性压紧装置）将模组稳固约束在预定位置，最大限度地抑制模组在冲击振动环境下的相对运动、碰撞挤压以及由此可能引发的电气连接松脱或内部结构损伤。为满足不同的承载需求，托盘提供单模组和双模组两种规格（见图3），其内置高强度的承重梁，为模组提供核心支撑。托盘前后端均设有标准安装孔位，用于模组的精准定位和可靠固定，保证模组在运输与使用过程中的稳定性。

3.2  加强筋及拉板结构设计

结构加强筋则系统地集成于动力电池柜的框架、侧壁、底板 / 顶板等主体承力构件上，如采用纵横交叉的网格状、特定走向的肋板或局部凸起结构，能够实质性地增大结构截面的惯性矩和抗弯、抗扭刚度。这种刚度的提升直接抑制了柜体在冲击激励下的瞬态大变形趋势，降低了因局部屈曲或塑性变形导致结构失效的风险。同时，优化的加强筋布局可改变结构的固有频率分布，使其有效规避主要的外部激励频带，大幅降低发生有害共振的可能性，减小结构响应的振幅。此外，加强筋通过将外部传递的冲击能量和振动应力更均匀地分散到更大的结构区域，有效降低了关键连接点（如模组安装点、吊耳、柜体焊缝）和薄弱区域的应力集中程度，避免裂纹的产生和扩展，显著提升了结构在循环载荷下的耐久度。

如图4所示，门框加强筋增强了柜门的结构稳定性，有效减小了运行过程中因加速度变化导致的门框晃动。同时，电池柜底座固定于机械间，且重心较低，设计上增加了拉板与机械间侧壁固定，以有效避免机车运行时电池柜发生剧烈振动。

此外，还设计了顶板加强筋用于稳固吊耳，加强吊装过程中的承载能力（见图5(a)）；设计了底板加强筋用于提升底板结构的刚度（见图5(b)）。鉴于托盘和模组重量较大，设计了托盘底座加强筋，增强底座的强度和承载能力，防止发生变形（见图5(c)）。高压盘位于电池柜顶部，发生振动频率较高，设计加强筋增加局部刚度，降低振动引发的结构形变风险（见图5(d)）。因此，设计的加强筋结构是保障电池柜在运输、安装及运行过程中抵御复杂机械环境、维持内部电池模组稳定可靠、确保长期结构安全不可或缺的工程手段。

4  动力电池柜结构强度分析

对动力电池柜进行结构强度分析，采用有限元分析方法，建立电池柜抗冲击振动模型，并采用EN12663标准工况进行强度仿真计算。

4.1  模型分析研究

动力电池柜骨架主要采用壳单元（SHELL181）和体单元（SOLID185）模拟，各设备质量用质量单元（MASS21）模拟。壳单元模拟薄壁结构的内面和弯曲行为，体单元描述三维实体的全方位力学响应，质量单元用于集中质量效应的简化模型。该模型共有节点884244个，单元843050个，计算模型质量2680kg。在电池柜骨架的边界条件施加过程中，底部约束施加在柜体底部4个安装座的T型螺栓连接处，顶部约束施加在骨架拉杆与车体螺栓连接处；在起吊工况下，约束施加在柜体顶部四个起吊孔位置。载荷施加过程中，以加速度形式分别施加各向冲击。电池柜的有限元模型如图6(a) 所示。网格划分采用四/六面体混合单元进行划分（见图6(b)），合理的网格划分保证了计算精度和效率，为后续的结构强度分析提供了可靠的基础。

动力电池柜主要由消防区（主动灭火系统）、高压盘、低压盘、电抗器及模组区（分为单模组托盘和双模组托盘）构成（见图7），质量分布如表1所示。

电池柜所用材料参数如表2所示 ，具有良好的力学性能，适用于承受较大载荷的结构件。

4.2  结构强度分析边界载荷

动力电池柜骨架的强度分析边界载荷按照 EN12663标准规定的FI类载荷方案进行假设（见表3），并考虑了电池及安装部件的质心形式施加载荷，安全系数选取依照标准EN12663。

4.3  工况试验分析

动力电池柜底部电池重量占比大于70%，导致S1工况（垂向-3g）成为第二大临界工况。在S1工况下，电池柜骨架最大等效应力为241MPa（见图8）。应力集中区域主要分布于立柱与底部横梁连接处（图8红色高亮区域），此处因垂向惯性载荷产生局部弯矩。该值显著低于Q345材料屈服强度345MPa，安全裕量43.2%。结果表明：最大应力未超过材料屈服极限，符合EN12663标准要求；关键连接节点应力梯度平缓（云图蓝色过渡区），无突变风险。

图9清晰地展示了S1工况下电池柜骨架的变形分布特征。全局最大变形值为1.1mm（图中红色峰值区域），位于立柱顶端与顶框连接处。变形分布与结构刚度分布一致，最大变形量满足轨道交通装备刚性结构要求（变形容许误差小于3mm），并且未引发电池模组间连接器位移超限（通常要求0.5mm），不影响电池柜电气安全性与结构功能完整性。

在纵向5g+垂向-1g极端工况（S3工况）下，最大等效应力289MPa（见图10），严格控制在Q345材料屈服强度范围内，安全裕量19.4%。安全系数1.19，超越EN 12663标准最低要求（≥ 1.15），验证了结构在复杂加速度组合下的可靠承载能力。应力集中分布在立柱-横梁连接节点，与预设的载荷传递路径一致，体现传力机制的高效性。无异常应力突变（云图色阶连续渐变），表明结构几何连续性优异，可规避局部屈曲风险。

S3工况下Q345ME 焊缝承受255MPa应力，仅占其屈服强度（345 MPa）的73.9%，展现了焊材-母材的强度匹配优势（见图11）。

如图12所示，S3工况下电池柜骨架最大变形量为1.4mm，为车体变形容许误差限值的46.7%，保障了安装精度。变形形状定向前倾（与5g 纵向加速度方向一致），反映结构刚度分布与载荷方向高度适配。

S1和S3工况下的最大应力及最大变形计算结果如表4所示。

4.4  冲击振动试验

为验证动力电池柜结构在冲击振动环境下的结构完整性、机械性能稳定性及内部连接的可靠性，将其安装在试验台上（见图13），模拟运输或恶劣工况中可能遇到的剧烈冲击载荷。

动力电池柜在冲击振动试验中表现出了良好的连接可靠性，产品结构未出现裂纹、永久变形或损伤。试验后，所有紧固件无松动，柜门及防护装置开闭功能正常。图14为电池柜垂向冲击振动图谱。由图14(a)可以看出，产品在各频段的振动响应均低于规定阈值，表明其动态刚度与疲劳寿命满足铁路长期运行要求。由图14(b)~(d)可以看出，在冲击和振动的试验中，产品未发生功能失效（试验后上电正常）、结构解体或安全隐患，图谱显示频段均低于最低阈值要求，产品能有效分散瞬时冲击的能量。

5  结束语

本文聚焦动力电池柜抗冲击振动展开研究分析，通过优化电池柜骨架结构，合理增设加强筋，有效提升了柜体整体刚度与抗变形能力，使其在复杂冲击振动环境下能保持结构稳定。同时精心设计的模组固定托盘，凭借精准的尺寸适配与可靠的连接方式，将电池模组稳固固定，大幅度降低模组相对位移风险。二者协同作用，显著增强了动力电池柜的抗冲击振动性能，为电池模组营造了安全稳定的工作环境，有力保障了电池系统的可靠运行，对提升轨道车辆等交通运输设备的安全性和稳定性具有重要意义。