文章來源:1西安交通大學(xué)2河南速達(dá)電動(dòng)汽車科技有限公司 引言 目前針對(duì)動(dòng)力電池的振動(dòng)安全性研究主要集中在兩大方面:一是振動(dòng)條件下的機(jī)械安全性 ， 即對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的研究 ， 這些最終都會(huì)落實(shí)到電池包結(jié)構(gòu) ? 成組方式及裝配的優(yōu)化上 ； 二是振動(dòng)條件下的電氣
文章來源:1西安交通大學(xué)2河南速達(dá)電動(dòng)汽車科技有限公司目前針對(duì)動(dòng)力電池的振動(dòng)安全性研究主要集中在兩大方面:一是振動(dòng)條件下的機(jī)械安全性 ， 即對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的研究 ， 這些最終都會(huì)落實(shí)到電池包結(jié)構(gòu) ? 成組方式及裝配的優(yōu)化上 ； 二是振動(dòng)條件下的電氣安全性 ， 如探究振動(dòng)對(duì)電池老化 ? 可用容量 ? 內(nèi)阻等的影響 ， 反映了振動(dòng)對(duì)電池性能參數(shù)的直接影響 。然而 ， 上述任一方面的研究都離不開可靠的測(cè)試方法作為支撐 。 為了驗(yàn)證現(xiàn)有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的合理性 ， 本文梳理了國(guó)內(nèi)外電池振動(dòng)測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) ， 通過設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)獲取的電池包和懸臂在不同道路譜下的振動(dòng)數(shù)據(jù) ， 指出了激勵(lì)響應(yīng)傳遞的衰減情況 ， 分析現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的具體參數(shù) ， 引出了動(dòng)力電池振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)仍需要考慮的問題 。 最后 ， 結(jié)合目前研究情況 ， 提出了具有普適性的振動(dòng)參數(shù)獲取方法 ， 并討論了電池振動(dòng)測(cè)試的關(guān)鍵問題 。1國(guó)內(nèi)外電池振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)總體來看 ， 針對(duì)動(dòng)力電池的絕大部分安全性測(cè)試規(guī)范已經(jīng)把振動(dòng)列入了測(cè)試內(nèi)容 ， 相關(guān)信息匯總于表1中 。 其中 ， 測(cè)試對(duì)象中電池包和電池系統(tǒng)定義的主要區(qū)別在于是否包含 電池管理系統(tǒng) ， 一般地 ， 若電池管理系統(tǒng)位于包內(nèi) ， 則在測(cè)試中不對(duì)二者進(jìn)行區(qū)分 。 通過整理 ， 各標(biāo)準(zhǔn)(若無說明 ， 以下 “標(biāo)準(zhǔn)”均指振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn))之間引用關(guān)系如圖1所示 ， 明顯地 ， 盡管有相當(dāng)數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了振動(dòng)測(cè)試 ， 但大多存在直接的互相引用情況 ， 且引用源較為集中 。1)USABC1996 《 電動(dòng)汽車電池測(cè)試手冊(cè) 》 作為比較早期的電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)受到了廣泛的關(guān)注 ， USABC1999 《 關(guān)于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)濫用性測(cè)試手冊(cè) 》 和Freedom Car 《 電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車用儲(chǔ)能系統(tǒng)濫用性測(cè)試手冊(cè) 》 中所規(guī)定的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)與USABC 1996一致 ； SAE J2380:2013的振動(dòng)參數(shù)即為USABC 1999中的隨機(jī)振動(dòng)部分(按照USABC 1999中的描述 ， 體現(xiàn)為:The random vibration portion of this specification is published as SAEJ - 2380) 。2)SAEJ2929:2013對(duì)測(cè)試的描述為可有選擇性地進(jìn)行UN383或SAEJ2380:2013所規(guī)定的振動(dòng)曲線之一或自行設(shè)定按照實(shí)際應(yīng)用參數(shù)測(cè)試 ， 不同之處在于其規(guī)定了使用SAE J2380:2013時(shí)電池荷電狀態(tài)(State of Charge ， SOC)應(yīng)該保持在正常使用時(shí)最大值的95%~100% ， 并且強(qiáng)調(diào)了完整的電池系統(tǒng)應(yīng)作為整車級(jí)振動(dòng)測(cè)試的一部分進(jìn)行測(cè)試 ， 其中電池系統(tǒng)要經(jīng)受適合車輛運(yùn)行的條件 。3)UL2580:2013由美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)所發(fā)布 ， 主要針對(duì)模組級(jí)依據(jù)SAE J2380:2013參數(shù)進(jìn)行測(cè)試 ， 附錄中提到可采用IEC62660 - 2有選擇性地測(cè)試單體 。 測(cè)試中監(jiān)測(cè)開路電壓 ? 溫度 ， 測(cè)試后8~24h后檢查樣品情況 ， 若無異常， 則進(jìn)行廠家規(guī)定的充放電循環(huán) 。4)GB/T314673—2015針對(duì)鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)進(jìn)行安全性測(cè)試 ， 2015年發(fā)布之初引用的是ISO12405 - 1:2011標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)參數(shù) ， 后來該ISO標(biāo)準(zhǔn)廢止 ， 2017年修訂后引用ECER100-02:2013標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng) ， 不同之處在于沒有對(duì)正弦振動(dòng)的掃頻方式(線性/對(duì)數(shù))做出限制 。5)GB/T31486—2015針對(duì)動(dòng)力蓄電池模塊進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試 ， 參數(shù)引用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T743—2006 ， 不同之處是為改善實(shí)驗(yàn)的合理性 ， 將原本的2h總振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)改為了3h 。6)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織作為全球標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域的重要組織之一 ， 制定的ISO12405-1:2011包含了較為詳細(xì)的電池包或系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試規(guī)范 ， 目前已廢止 ， 故不作為參考標(biāo)準(zhǔn) 。綜合上述情況 ， 總結(jié)USABC1996 ? UN383 ? IEC62660-2:2018 ? ECER100-02:2013 ? GB/T31486—2015該五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)見表2 ， 將其中的隨機(jī)振動(dòng)按照節(jié)點(diǎn)參數(shù)做功率譜密度分布如圖2所示 。 其中 ， USABC 1996對(duì)隨機(jī)振動(dòng)的參數(shù)定義較為復(fù)雜 ， 圖2所示的僅為三種垂向加速度均方根為19g的隨機(jī)振動(dòng)曲線和一種縱向加速度均方根為15g的隨機(jī)振動(dòng)曲線 ， 并且該標(biāo)準(zhǔn)定義的隨機(jī)振動(dòng)在各SOC ? 各方向的振動(dòng)累積時(shí)間以及量級(jí)并不相同 。 在需要調(diào)整振動(dòng)量級(jí)時(shí) ， 根據(jù)所需要的均方根數(shù)值對(duì)圖2中的隨機(jī)振動(dòng)曲線進(jìn)行相應(yīng)縮放即可 。2基于實(shí)測(cè)路譜的對(duì)比分析本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的采集系統(tǒng)和測(cè)試方案 ， 對(duì)實(shí)車道路譜下的懸臂激勵(lì)和電池包響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集并做頻譜分析 ， 結(jié)合實(shí)際的響應(yīng)特征完成基于實(shí)車路譜的電池振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分析 。本次電池包振動(dòng)信號(hào)采集所用車輛為一輛狀況良好的某型號(hào)轎車 ， 整備質(zhì)量為14t ， 乘坐兩人約140kg進(jìn)行路譜測(cè)試 。 根據(jù)整車道路模擬室驗(yàn)室的四立柱臺(tái)架基礎(chǔ)測(cè)試結(jié)果 ， 初步分析得到電池包體上振動(dòng)加速度幅值和頻率范圍后 ， 選用型號(hào)為CXL25GP3和CXL10GP3的兩個(gè)三向加速度傳感器分別用于汽車后懸臂和電池包底部振動(dòng)加速度信號(hào)的測(cè)量 ， 連接型號(hào)為 NIUSB-6002的采集卡 ， 通過Labview上位機(jī)軟件將數(shù)據(jù)存入電腦中 ； 后懸臂處測(cè)點(diǎn)主要用于路面激勵(lì)采集并與電池包振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析 。電池包處于車輛底盤下方中部位置 ， 在包體四周采用六角螺栓實(shí)現(xiàn)吊裝 。 加速度傳感器在電池包底部和車輪后懸臂處的固定點(diǎn)位置如圖3和圖4所示 。2.2實(shí)車道路下數(shù)據(jù)采集車輛受平坦路面激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)量較小 ， 因此相關(guān)道路試驗(yàn)往往基于時(shí)域波形再現(xiàn)的方法選擇強(qiáng)化路譜進(jìn)行測(cè)試 。 本次數(shù)據(jù)采集選擇的路況包括 :平坦路況 ； 試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化道路 。 通過測(cè)試分別觀察正常行駛和惡劣路況激勵(lì)下電池包振動(dòng)響應(yīng)情況 。 各強(qiáng)化試驗(yàn)道路如圖5所示 。在保證車輛行駛安全的前提下 ， 平坦路面上直線穩(wěn)定車速選擇為60km/h ， 經(jīng)歷了起步 ? 加速 ? 減速 ? 過彎等行駛工況 。 對(duì)于強(qiáng)化路段 ， 結(jié)合道路模擬試驗(yàn)中路譜采集相關(guān)規(guī)范 ， 經(jīng)過長(zhǎng)波路和扭曲路時(shí)分別控制車速在20km/h附近和怠速狀態(tài) ， 其余特殊道路控制車速在30km/h附近 。 最終測(cè)得平坦路面上電池包的加速度響應(yīng)如圖6所示 ， 后輪懸臂上的加速度響應(yīng)如圖7所示 。 經(jīng)過各強(qiáng)化路段時(shí)的電池包和后輪懸臂上加速度信號(hào)分別如圖8和圖9所示 。針對(duì)以上時(shí)域波形信號(hào) ， 通過以下兩個(gè)角度進(jìn)行分析 。1 )道路影響:電池包在平坦路面上的振動(dòng)響應(yīng)遠(yuǎn)小于強(qiáng)化路段 ， 基本處于0.5g以下 ， 并且車輛在進(jìn)行加速 ? 轉(zhuǎn)彎時(shí)引起的電池包水平方向的響應(yīng)明顯高于正常行駛中的垂向響應(yīng) 。2)激勵(lì)響應(yīng)傳遞:可以看出后懸臂上的振動(dòng)響應(yīng)遠(yuǎn)大于電池包上的響應(yīng) ， 說明從懸臂到電池的振動(dòng)能量傳遞受到了明顯抑制 。 同時(shí) ， 以強(qiáng)化路譜為例 ， 盡管懸臂上的響應(yīng)情況體現(xiàn)為垂向加速度最大 ， 但電池包表現(xiàn)為橫向響應(yīng)更大 ， 反映了該電池包對(duì)橫向振動(dòng)激勵(lì)更為敏感 。 整體結(jié)果表明:雖然路面激勵(lì)以垂向?yàn)橹?nbsp;， 但在傳遞到電池包體的過程中各個(gè)方向的振動(dòng)能量受抑制程度不一定相同 ， 分析出現(xiàn)該情況的原因應(yīng)該與電池箱體位置 ? 吊耳分布和安裝的固定形式有關(guān) ， 例如連接處對(duì)橫向剪切應(yīng)力敏感程度高于縱向拉伸 。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中大多更關(guān)注垂向振動(dòng)激勵(lì) ， 在此對(duì)電池包平坦路面時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并選取能量較為集中區(qū)域 ， 如圖10所示 。 可以看出 ， 平坦路面的激勵(lì)能量很小 ， 且集中于20Hz以下 。 以垂向振動(dòng)幅值較大的魚鱗坑路段為例 ， 加速度信號(hào)時(shí)域波形如圖11所示 ， 對(duì)其進(jìn)行功率譜密度計(jì)算 ， 選取能量較為集中區(qū)域的功率譜密度分布如圖12 所示 。
231幅值范圍結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) ， 即使在強(qiáng)化道路下 ， 電池包上的振動(dòng)加速度幅值也基本處于1g以下 ， 僅在魚鱗坑路段時(shí)橫向加速度峰值達(dá)到了2g 。 對(duì)比振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) ， 除了ECER100-02:2013外 ， 其他標(biāo)準(zhǔn)或多或少均明顯高于實(shí)測(cè)值 ，即便初衷是為了運(yùn)輸安全的UN383 ， 8g峰值加速度的設(shè)定仍是有些偏大 。觀察以圖12為代表的功率譜密度分布 ， 可以認(rèn)為 ， 電池包上的振動(dòng)能量主要集中于60Hz以下區(qū)域 。 在頻率范圍上 ， ECER100-02:2013中的7~50Hz和GB/T31486—2015的10~55H較為吻合 ， 而IEC中高達(dá)2000Hz的設(shè)定明顯有些偏高 。結(jié)合時(shí)域信號(hào) ， 當(dāng)前測(cè)試條件下電池包的水平方向響應(yīng)明顯強(qiáng)于垂直方向 ， 且其對(duì)水平激勵(lì)更加敏感 ， 因此有必要重視水平方向的振動(dòng)測(cè)試 。 ECER100-02:2013和GB/T31486—2015中只針對(duì)垂直方向進(jìn)行測(cè)試 ， 存在遺漏風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試項(xiàng)目的可能性 。綜合上述對(duì)比分析 ， 盡管不排除一些超差是為了加速試驗(yàn)進(jìn)程 ， 但標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試與實(shí)測(cè)道路譜下的電池包振動(dòng)數(shù)據(jù)還是存在一些明顯不同的 。 總體來看 ， 除了沒有考慮水平方向 ， ECE R100-02:2013在幅值和頻率方面還是較為符合實(shí)測(cè)值的 。 結(jié)合道路譜數(shù)據(jù) ， 本文研究認(rèn)為 ， 在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不能滿足個(gè)性化需求時(shí) ， 可以依據(jù)道路譜下電池包振動(dòng)數(shù)據(jù)自行擬定隨機(jī)振動(dòng)參數(shù)曲線用于近似擬合真實(shí)振動(dòng)情況 ， 具體步驟見3.1小節(jié) 。結(jié)合圖12功率譜密度分布 ， 積分后開根號(hào)獲得0~100Hz加速度RMS值為0.2664g ， 0~50Hz加速度RMS值為0.2463g ， 相差不大 ， 因此本試驗(yàn)中選取主要能量段0~50Hz用于制定隨機(jī)振動(dòng)輸入?yún)?shù) 。 在對(duì)上述功率譜密度分布進(jìn)行分段近似處理時(shí) ， 應(yīng)在盡量減少能量損失的條件下 ， 依據(jù)頻域內(nèi)能量分布獲取對(duì)應(yīng)關(guān)系 。 分段計(jì)算得到各頻率段和能量對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3 。由于一般實(shí)驗(yàn)室電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)無法工作在0Hz附近 ， 且最低工作頻率為5Hz ， 因此忽略0~5Hz范圍能量 。 按照表3能量分布 ， 近似獲取隨機(jī)振動(dòng)參數(shù)曲線 ， 如圖13所示 。 按照該參數(shù)曲線積分得到總能量為642(m/s 2 ) 2 ， 總能量滿足頻域分布的同時(shí)無較大損失或超差 。前面針對(duì)路譜測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了振動(dòng)參數(shù)分析 ， 在此針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的電池振動(dòng)安全性測(cè)試需求做出進(jìn)一步的分析:(1)對(duì)象選取—模組層級(jí)以上更適合車用動(dòng)力電池有著其特定的成組結(jié)構(gòu) ， 若不是只考慮振動(dòng)對(duì)單體性能的影響 ， 則需要充分再現(xiàn)成組應(yīng)力和預(yù)緊力等約束條件 。 因此進(jìn)行一般的振動(dòng)測(cè)試時(shí) ， 從模組層級(jí)入手有著明顯的合理性 。(2)強(qiáng)化振動(dòng)規(guī)范制定要與樣車相結(jié)合部分電池標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)幅值 ? 頻率制定明顯偏大 ， 是為了快速檢測(cè)被測(cè)樣品的耐振動(dòng)性 。 結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) ， 即便是單一考慮電池的抗機(jī)械濫用能力 ， 不同車型可能存在不同的機(jī)械系統(tǒng)連接情況 ， 則需要根據(jù)具體的路譜參數(shù)分析 。目前看來 ， 實(shí)車振動(dòng)參數(shù)容易獲取 ， 但在此基礎(chǔ)上的振動(dòng)加強(qiáng)程度如何制定較為復(fù)雜 。標(biāo)準(zhǔn)中大多規(guī)定了電池振動(dòng)時(shí)的SOC ， 基于上述總結(jié) ， 目前的標(biāo)準(zhǔn)中僅我國(guó)的 GB/T31486—2015要求在振動(dòng)時(shí)進(jìn)行1/3C放電 ， 這是完全符合車輛應(yīng)用要求的 。 因此 ， 若要充分地探究動(dòng)力電池振動(dòng)安全性 ， 則有必要在振動(dòng)時(shí)加入放電工況 ， 這同樣是機(jī)械和電性能耦合的研究?jī)?nèi)容 。
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