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中汽研 | 電動汽車電池包振動條件關(guān)鍵問題研究

2020-03-21 14:13:44·  來源：電動學(xué)堂  
　
文章來源：《電動汽車電池包振動條件關(guān)鍵問題研究》引言車載動力電池是電動汽車的重要部件，電池包的耐振動性能直接決定了整車的安全性和使用壽命 ?電動汽車在
文章來源：《電動汽車電池包振動條件關(guān)鍵問題研究》
 
引 言
 
車載動力電池是電動汽車的重要部件，電池包的耐振動性能直接決定了整車的安全性和使用壽命 ?電動汽車在實際行駛過程中既可能行駛在平坦公路上，也可能遇到各種壞路，因此電池包受到的振動情況是隨機的 ，臺架振動條件是等效疲勞損傷條件下在臺架上重復(fù)電池包在實車行駛過程中可能出現(xiàn)的振動效果，其目的是快速檢驗電池包在使用過程中的安全性，避免車輛使用過程中可能出現(xiàn)的故障和失效，危及車輛和乘客安全?
電池包臺架振動條件的合理性影響著車輛安全性和成本?ISO 12405.3—2014?GB/ T 31467.3—2015 ?SAE J2380 采用隨機振動條件，GB/ T 31467.3 (修訂)—2017?ECE R100 及EVS¯GTR 的草案采用正弦掃頻振動條件?實際執(zhí)行情況表明，上述隨機振動條件偏強而正弦掃頻振動條件偏弱?究其原因，這些振動條件是由傳統(tǒng)汽車相關(guān)標(biāo)準轉(zhuǎn)換過來，因此開發(fā)與真實反映實車道路載荷的臺架振動條件是各企業(yè)關(guān)注的重點?全國汽標(biāo)委組織行業(yè)力量基于統(tǒng)一道路條件和數(shù)據(jù)處理規(guī)范，開發(fā)了新的振動條件，相關(guān)成果已寫入«電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法» (GB/ T31485—2015)?本文圍繞電池包振動條件標(biāo)準開發(fā)過程中的若干關(guān)鍵問題開展研究，給出了相關(guān)問題解決方法，有助于了解國標(biāo)振動條件，同時可以作為各企業(yè)開發(fā)電池包振動條件企業(yè)規(guī)范的參考?
 
1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理
為獲得行業(yè)統(tǒng)一的參考標(biāo)準，數(shù)據(jù)采集和分析都是基于統(tǒng)一的條件進行的?所有車輛的采集是在交通運輸部通州試驗場進行的?車輛所行駛的路線組合及車速?加載方式根據(jù)車型不同，依照通州汽車試驗場汽車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗規(guī)范(2000 版) (以下簡稱試驗規(guī)范) 規(guī)定處理?整個開發(fā)流程如圖1 所示?
 
1.1 傳感器布置
傳感器的布置位置對于數(shù)據(jù)采集的準確性至關(guān)重要?首先，傳感器應(yīng)布置在靠近電池包固定點的車身上，對于有減振墊的電池包，傳感器布置在減振墊固定點位置附近，這是由于臺架振動條件復(fù)現(xiàn)的是電池包受到的振動激勵，即路面通過輪胎傳遞到車身的振動而非電池包響應(yīng)?另外，除非特殊需要，傳感器數(shù)量根據(jù)固定點數(shù)量確定，其要求與振動臺多點控制法中傳感器布置要求相一致?其次，采樣傳感器采用三向加速度振動傳感器，其量程和頻率特性滿足電池包振動條件采集需要，傳感器固定根據(jù)實際情況確定，但需保證其三向與車輛方向一一對應(yīng)，避免產(chǎn)生夾角，并準確記錄傳感器方向與加速度傳感器振動方向關(guān)系，作為數(shù)據(jù)處理依據(jù)；再次，為避免車身電信號對傳感器的干擾，傳感器與車身需電氣隔離，可采用帶有專用隔離墊的振動傳感器，或根據(jù)傳感器廠家要求增加符合要求的絕緣墊，傳感器在車身上的固定安裝效果如圖2 所示?
 
圖2 中，傳感器的X?Y?Z 方向分別與車輛的Z?X?Y 方向一一對應(yīng)，且無夾角，傳感器與車身采用膠粘合，中間采用指定絕緣膠帶實現(xiàn)電氣隔離?
1.2 數(shù)據(jù)處理與分析
1.2.1 數(shù)據(jù)抽取與重構(gòu)
 
圖3 為某傳感器某振動方向?qū)崟r信號，橫軸為時間軸，縱軸為振動幅值?可見，在各強化路之間過渡路面的振動幅值遠小于強化路振動幅值，根據(jù)隨機振動特點及MINER 線性累計損傷理論，僅抽取強化路振動信號?同理，振動信號僅采集典型強化路條件下載荷，而不計入高速和普通公路下的載荷，即完成規(guī)范要求的強化路試驗的電池包能夠滿足試驗規(guī)范確定的整車行駛要求?
多路傳感器數(shù)據(jù)處理: 對于每個路面下多個傳感器測得的振動信息，考慮最大振動存在的合理性，為安全性考慮選擇具有最大RMS 值的那組數(shù)據(jù)作為該強化路段振動數(shù)據(jù)，所有這些強化路路段組合成車輛一個駕駛循環(huán)(一圈) 的振動數(shù)據(jù)?2多圈數(shù)據(jù)處理: 試驗中，每輛車沿規(guī)定駕駛循環(huán)運行3圈，對于3 圈的振動數(shù)據(jù)，理論上應(yīng)該是接近的，為了剔除駕駛?cè)瞬町惡透鞣N噪聲帶來的影響，取3 圈的振動平均值作為最終該車輛一圈的振動數(shù)據(jù)?
行駛壽命歷程振動數(shù)據(jù): 基于試驗規(guī)范，由一圈典型振動數(shù)據(jù)乘以規(guī)定的系數(shù)即可得到車輛在試驗規(guī)范行駛壽命里程的振動數(shù)據(jù)?試驗規(guī)范對不同車輛根據(jù)其行駛壽命中強化路分布規(guī)律規(guī)定了不同的強化路形式循環(huán)，以達到規(guī)定的總強化路里程，如乘用車為714 個循環(huán)，物流車為416 個循環(huán)?
多車型數(shù)據(jù)正規(guī)化: 試驗共采集22 輛車有效樣本數(shù)據(jù)，車型包括小客車?微型車?物流車?大客車，既有純電動車也有混合動力汽車?插電式混合動力汽車和燃料電池電動汽車，車型具有較好的代表性?經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，決定將振動條件分為乘用車和商用車分別處理，其中物流車考慮當(dāng)前生產(chǎn)開發(fā)及使用實際情況，歸入乘用車統(tǒng)一處理?對于如此多車型數(shù)據(jù)正規(guī)化處理，考慮各車型實際性能差異性，且振動條件的開發(fā)目的為安全性，經(jīng)綜合考慮和行業(yè)廣泛征求意見，采用各車各頻率下PSD 譜平均值作為振動條件?將振動時間確定為12h，乘用車與物流車Z 向各頻率下功率譜密度(Power Spectrum Density，PSD) 最大值?平均值?中位值?最小值獲得的振動譜的振動能量(Root Mean Square，RMS)分別是1.35g?0.64g?0.48g?0.21g，可見該平均值振動能量大于數(shù)據(jù)中值振動能量，振動條件可以滿足大多數(shù)車型安全性要求?
1.2.2 典型數(shù)據(jù)分析與處理
搓板路振動處理: 搓板路振動能量在整個振動路譜中占比相對較大，尤其是在Z 軸方向，不包含搓板路的振動能量可下降20% ~40%?圖4 為某車Z 向振動數(shù)據(jù)包含和不包含搓板路振動信號的頻率對比?
 
通州試驗場強化路面中的搓板路為中度標(biāo)準搓板路λ =580mm，波峰25mm，規(guī)定的行車速度為50km/ h，根據(jù)激振頻率基頻計算公式f = v / λ，可知搓板路激振頻率基頻為24Hz?搓板路是窄帶隨機振動信號，能量集中在一個很小的頻帶范圍內(nèi)，根據(jù)試驗規(guī)范，在50km/ h 的規(guī)定車速下，考慮各種情況導(dǎo)致的車速波動，該頻率范圍為22 ~ 24Hz，具有類似定頻激勵的特征?最終搓板路激勵被單獨抽取出來作為定頻激勵，其他路面路譜作為隨機激勵?
1.3 試驗加速方法
振動條件的加速基于疲勞損耗累計等效的原則進行?疲勞累積損傷理論的研究已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年，研究成果眾多 ，但Miner 線性累積損傷理論由于其形式簡單，使用方便，且在多數(shù)情況下其壽命估算與試驗結(jié)果有相當(dāng)程度的吻合，是目前在工程上應(yīng)用最為廣泛的疲勞壽命預(yù)測方法 ，本研究基于MINER 法則進行加速?
加速系數(shù): 在MINER 法則中，一個重要的參數(shù)是加速系數(shù)，它決定了加速后試驗強度，取決于不同材料的S-N曲線?考慮電池包關(guān)鍵部件構(gòu)成材料，并參考ISO DIS19453¯3 規(guī)范，采用常用加速老化系數(shù)較低的數(shù)值，即n =5.
臺架振動時間: 在GB/ T 31467.3—2015 中規(guī)定各向振動時間為21h，而在國際標(biāo)準的趨勢中，各向振動時間為12h，基于疲勞損傷進行了分析和臺架試驗也驗證了其合理性?同一路譜振動條件壓縮成T1 =12h 相比壓縮成T2 =21h，振動能量增加量可以根據(jù)MINER 法則計算，如式(1)所示:
 
即臺架振動時間調(diào)整前后，振動能量增加幅值不大(12%)?各點處功率譜密度也可以據(jù)此轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)不同振動時間下振動條件轉(zhuǎn)換?
2 臺架振動條件及驗證
2.1 臺架振動條件
RMS 等效擬合原則: 由于當(dāng)前大多數(shù)振動臺尚不具備高動態(tài)高精度響應(yīng)特性，所獲得振動頻譜特性需要進行擬合或光順處理，才能在振動臺架上執(zhí)行?常見的擬合原則包括外包絡(luò)擬合，下包絡(luò)擬合?振動能量等效原則擬合，經(jīng)綜合考慮，擬合采用振動能量RMS 等效原則進行，即光順后PSD 譜的RMS 值與原始PSD 曲線的RMS 值相等，同時需要注意的是，基于該原則我們可能會去掉一些PSD 的尖峰，但光順后PSD 譜的主要頻率峰值需要保留?如圖5 所示?乘用車振動條件中Z 方向盡量保留了10 ~ 15Hz 峰值，此為來自路面和輪胎的響應(yīng)頻率范圍，具有共性?同時，擬合中盡量減少轉(zhuǎn)折數(shù)，結(jié)果數(shù)據(jù)盡量選用常用頻率點，并避免劇烈過渡和連續(xù)過渡?
 
擬合前后RMS 計算方法: 我們知道對于PSD 譜來說，其振動能量RMS 為在一定的頻率范圍內(nèi)對PSD 進行積分(近似的算法就是求面積)，然后將積分的結(jié)果開方，對于離散的PSD 來說可以將各頻率下PSD 求和再開方，如式(2) 所示?
 
擬合后的PSD 譜由多條線段依次連接構(gòu)成，常見的已知數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)折頻率及該頻率下PSD 值，而對于折線處各頻率下PSD 值是未知的或者計算復(fù)雜，難以采用式(2) 計算擬合后PSD 譜的RMS 值?對于擬合后的折線PSD 譜的振動能量可根據(jù)如下方法計算?
首先計算線段斜率?記折線兩端點分別為(fi，PSDi )，(fj，PSDj)，在半對數(shù)坐標(biāo)系下其斜率m 根據(jù)式(3)計算?
 
式中l(wèi)og10 ?log2 分別表示以10 和2 為底求對數(shù)，OCT 表示2倍頻程?以GB/ T 31467.3—2015 中Z 軸振動條件為例，可求得上升段斜率為0.7918dB/ OCT，下降段斜率為¯5.6445dB/ OCT?
其次，分別計算各部分面積?將擬合后曲線按照折線段分別計算各部分面積，仍以GB/ T 31467.3—2015 中Z 軸振動條件為例，PSD 譜包含上升段PSD 譜面積A1，水平段PSD 譜面積A2?下降段PSD 譜面積A3 及折線段振動能量Grms，分別按照式(4) ~ 式(7) 計算?
 
電池包臺架振動條件: 基于前述方法選擇有代表性的乘用車和物流車，包括EV 和PHEV，統(tǒng)一開展數(shù)據(jù)測試和處理，X?Y?Z 三個方向隨機振動和定頻振動條件見表1?
 
2.2 試驗驗證
試驗驗證前需要首先對電池包進行有限元仿真分析以確定應(yīng)變片粘貼位置，將應(yīng)變片貼在最大應(yīng)力點分布位置?將粘貼應(yīng)變片的電池包安裝在振動臺上，振動傳感器布置在安裝點附近(距離≤50mm)，采用多點平均法控制，按照開發(fā)的12h 臺架振動條件按照Z 隨機→Z 向定頻→Y 隨機→Y向定頻→X 隨機→X 向定頻的順序分別開展試驗?圖6 為Z向隨機振動過程中各應(yīng)變片應(yīng)變曲線?
 
最大應(yīng)變值出現(xiàn)在位置4，與仿真分析結(jié)果吻合，最大應(yīng)變?yōu)?epsilon; =316.5，定頻振動時Z 向最大應(yīng)變幅值同樣位于位置4，最大值ε = 116.19，根據(jù)公式計算應(yīng)力σ = E × ε ×10 -6 ，其中E 為材料的楊氏彈性模量，可得振動過程中最大應(yīng)變對應(yīng)的最大應(yīng)力為65.2MPa，遠小于所用材料的屈服強度(420 ~520MPa)，可見新開發(fā)的壓縮為12h 的臺架振動條件對于該電池包設(shè)計來講是安全的?
3 結(jié)論
本文針對電池包安全標(biāo)準中臺架振動條件開發(fā)中若干關(guān)鍵問題開展研究，作為統(tǒng)一的振動條件應(yīng)基于統(tǒng)一規(guī)范進行?其中，傳感器布置應(yīng)盡量靠近電池包固定點處，考慮安全性因素，多路傳感器信號應(yīng)在各路段選取具有最大RMS值組成新的一圈壞路，并對多圈數(shù)據(jù)進行平均以減少駕駛?cè)嘶蚺及l(fā)情況影響?多車型數(shù)據(jù)處理應(yīng)基于統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，基于安全性考慮選擇各頻率下平均值?搓板路的振動特征與其他路面振動特性不同，單獨抽取做定頻振動，其他路面振動做隨機振動分析，此外在平順處理中數(shù)據(jù)擬合應(yīng)基于RMS 等效原則進行并保留典型峰值?基于本文所述方法開發(fā)的振動條件已被國家相關(guān)電池包安全標(biāo)準采納，今后將作為強制要求?本文研究方法可以作為各企業(yè)電池包振動條件企業(yè)標(biāo)準制定的參考，推動電池包安全性的整體提升，本電動汽車電池包振動條件開發(fā)流程也可以作為電動汽車其他部件如電機和控制器等的臺架振動條件開發(fā)依據(jù)?
 
 
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