文章來源:1西安交通大學2河南速達電動汽車科技有限公司 引言 目前針對動力電池的振動安全性研究主要集中在兩大方面:一是振動條件下的機械安全性 ， 即對動力學特性的研究 ， 這些最終都會落實到電池包結構 ? 成組方式及裝配的優(yōu)化上 ； 二是振動條件下的電氣
文章來源:1西安交通大學2河南速達電動汽車科技有限公司目前針對動力電池的振動安全性研究主要集中在兩大方面:一是振動條件下的機械安全性 ， 即對動力學特性的研究 ， 這些最終都會落實到電池包結構 ? 成組方式及裝配的優(yōu)化上 ； 二是振動條件下的電氣安全性 ， 如探究振動對電池老化 ? 可用容量 ? 內阻等的影響 ， 反映了振動對電池性能參數的直接影響 。然而 ， 上述任一方面的研究都離不開可靠的測試方法作為支撐 。 為了驗證現有測試標準的合理性 ， 本文梳理了國內外電池振動測試相關標準 ， 通過設計采集系統(tǒng)獲取的電池包和懸臂在不同道路譜下的振動數據 ， 指出了激勵響應傳遞的衰減情況 ， 分析現有標準的具體參數 ， 引出了動力電池振動測試標準仍需要考慮的問題 。 最后 ， 結合目前研究情況 ， 提出了具有普適性的振動參數獲取方法 ， 并討論了電池振動測試的關鍵問題 。總體來看 ， 針對動力電池的絕大部分安全性測試規(guī)范已經把振動列入了測試內容 ， 相關信息匯總于表1中 。 其中 ， 測試對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 ， 則在測試中不對二者進行區(qū)分 。 通過整理 ， 各標準(若無說明 ， 以下 “標準”均指振動標準)之間引用關系如圖1所示 ， 明顯地 ， 盡管有相當數量的標準涵蓋了振動測試 ， 但大多存在直接的互相引用情況 ， 且引用源較為集中 。1)USABC1996 《 電動汽車電池測試手冊 》 作為比較早期的電池測試標準受到了廣泛的關注 ， USABC1999 《 關于電化學儲能系統(tǒng)濫用性測試手冊 》 和Freedom Car 《 電動和混合動力汽車用儲能系統(tǒng)濫用性測試手冊 》 中所規(guī)定的振動標準與USABC 1996一致 ； SAE J2380:2013的振動參數即為USABC 1999中的隨機振動部分(按照USABC 1999中的描述 ， 體現為:The random vibration portion of this specification is published as SAEJ - 2380) 。2)SAEJ2929:2013對測試的描述為可有選擇性地進行UN383或SAEJ2380:2013所規(guī)定的振動曲線之一或自行設定按照實際應用參數測試 ， 不同之處在于其規(guī)定了使用SAE J2380:2013時電池荷電狀態(tài)(State of Charge ， SOC)應該保持在正常使用時最大值的95%~100% ， 并且強調了完整的電池系統(tǒng)應作為整車級振動測試的一部分進行測試 ， 其中電池系統(tǒng)要經受適合車輛運行的條件 。3)UL2580:2013由美國保險商實驗所發(fā)布 ， 主要針對模組級依據SAE J2380:2013參數進行測試 ， 附錄中提到可采用IEC62660 - 2有選擇性地測試單體 。 測試中監(jiān)測開路電壓 ? 溫度 ， 測試后8~24h后檢查樣品情況 ， 若無異常， 則進行廠家規(guī)定的充放電循環(huán) 。4)GB/T314673—2015針對鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)進行安全性測試 ， 2015年發(fā)布之初引用的是ISO12405 - 1:2011標準振動參數 ， 后來該ISO標準廢止 ， 2017年修訂后引用ECER100-02:2013標準振動 ， 不同之處在于沒有對正弦振動的掃頻方式(線性/對數)做出限制 。5)GB/T31486—2015針對動力蓄電池模塊進行振動測試 ， 參數引用行業(yè)標準QC/T743—2006 ， 不同之處是為改善實驗的合理性 ， 將原本的2h總振動時長改為了3h 。6)國際標準化組織作為全球標準化領域的重要組織之一 ， 制定的ISO12405-1:2011包含了較為詳細的電池包或系統(tǒng)的振動測試規(guī)范 ， 目前已廢止 ， 故不作為參考標準 。綜合上述情況 ， 總結USABC1996 ? UN383 ? IEC62660-2:2018 ? ECER100-02:2013 ? GB/T31486—2015該五項標準中振動試驗參數見表2 ， 將其中的隨機振動按照節(jié)點參數做功率譜密度分布如圖2所示 。 其中 ， USABC 1996對隨機振動的參數定義較為復雜 ， 圖2所示的僅為三種垂向加速度均方根為19g的隨機振動曲線和一種縱向加速度均方根為15g的隨機振動曲線 ， 并且該標準定義的隨機振動在各SOC ? 各方向的振動累積時間以及量級并不相同 。 在需要調整振動量級時 ， 根據所需要的均方根數值對圖2中的隨機振動曲線進行相應縮放即可 。本文設計了相應的采集系統(tǒng)和測試方案 ， 對實車道路譜下的懸臂激勵和電池包響應信號進行采集并做頻譜分析 ， 結合實際的響應特征完成基于實車路譜的電池振動測試標準分析 。本次電池包振動信號采集所用車輛為一輛狀況良好的某型號轎車 ， 整備質量為14t ， 乘坐兩人約140kg進行路譜測試 。 根據整車道路模擬室驗室的四立柱臺架基礎測試結果 ， 初步分析得到電池包體上振動加速度幅值和頻率范圍后 ， 選用型號為CXL25GP3和CXL10GP3的兩個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加速度信號的測量 ， 連接型號為 NIUSB-6002的采集卡 ， 通過Labview上位機軟件將數據存入電腦中 ； 后懸臂處測點主要用于路面激勵采集并與電池包振動信號進行對比分析 。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現吊裝 。 加速度傳感器在電池包底部和車輪后懸臂處的固定點位置如圖3和圖4所示 。車輛受平坦路面激勵產生的振動量較小 ， 因此相關道路試驗往往基于時域波形再現的方法選擇強化路譜進行測試 。 本次數據采集選擇的路況包括 :平坦路況 ； 試驗場強化道路 。 通過測試分別觀察正常行駛和惡劣路況激勵下電池包振動響應情況 。 各強化試驗道路如圖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 ， 經歷了起步 ? 加速 ? 減速 ? 過彎等行駛工況 。 對于強化路段 ， 結合道路模擬試驗中路譜采集相關規(guī)范 ， 經過長波路和扭曲路時分別控制車速在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 。 最終測得平坦路面上電池包的加速度響應如圖6所示 ， 后輪懸臂上的加速度響應如圖7所示 。 經過各強化路段時的電池包和后輪懸臂上加速度信號分別如圖8和圖9所示 。針對以上時域波形信號 ， 通過以下兩個角度進行分析 。1 )道路影響:電池包在平坦路面上的振動響應遠小于強化路段 ， 基本處于0.5g以下 ， 并且車輛在進行加速 ? 轉彎時引起的電池包水平方向的響應明顯高于正常行駛中的垂向響應 。2)激勵響應傳遞:可以看出后懸臂上的振動響應遠大于電池包上的響應 ， 說明從懸臂到電池的振動能量傳遞受到了明顯抑制 。 同時 ， 以強化路譜為例 ， 盡管懸臂上的響應情況體現為垂向加速度最大 ， 但電池包表現為橫向響應更大 ， 反映了該電池包對橫向振動激勵更為敏感 。 整體結果表明:雖然路面激勵以垂向為主 ， 但在傳遞到電池包體的過程中各個方向的振動能量受抑制程度不一定相同 ， 分析出現該情況的原因應該與電池箱體位置 ? 吊耳分布和安裝的固定形式有關 ， 例如連接處對橫向剪切應力敏感程度高于縱向拉伸 。標準測試中大多更關注垂向振動激勵 ， 在此對電池包平坦路面時域信號進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 ， 平坦路面的激勵能量很小 ， 且集中于20Hz以下 。 以垂向振動幅值較大的魚鱗坑路段為例 ， 加速度信號時域波形如圖11所示 ， 對其進行功率譜密度計算 ， 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幅值范圍結合實測數據 ， 即使在強化道路下 ， 電池包上的振動加速度幅值也基本處于1g以下 ， 僅在魚鱗坑路段時橫向加速度峰值達到了2g 。 對比振動測試標準 ， 除了ECER100-02:2013外 ， 其他標準或多或少均明顯高于實測值 ，即便初衷是為了運輸安全的UN383 ， 8g峰值加速度的設定仍是有些偏大 。觀察以圖12為代表的功率譜密度分布 ， 可以認為 ， 電池包上的振動能量主要集中于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2000Hz的設定明顯有些偏高 。結合時域信號 ， 當前測試條件下電池包的水平方向響應明顯強于垂直方向 ， 且其對水平激勵更加敏感 ， 因此有必要重視水平方向的振動測試 。 ECER100-02:2013和GB/T31486—2015中只針對垂直方向進行測試 ， 存在遺漏風險測試項目的可能性 。綜合上述對比分析 ， 盡管不排除一些超差是為了加速試驗進程 ， 但標準測試與實測道路譜下的電池包振動數據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測值的 。 結合道路譜數據 ， 本文研究認為 ， 在現行標準不能滿足個性化需求時 ， 可以依據道路譜下電池包振動數據自行擬定隨機振動參數曲線用于近似擬合真實振動情況 ， 具體步驟見3.1小節(jié) 。結合圖12功率譜密度分布 ， 積分后開根號獲得0~100Hz加速度RMS值為0.2664g ， 0~50Hz加速度RMS值為0.2463g ， 相差不大 ， 因此本試驗中選取主要能量段0~50Hz用于制定隨機振動輸入參數 。 在對上述功率譜密度分布進行分段近似處理時 ， 應在盡量減少能量損失的條件下 ， 依據頻域內能量分布獲取對應關系 。 分段計算得到各頻率段和能量對應關系見表3 。由于一般實驗室電動振動臺無法工作在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 ， 近似獲取隨機振動參數曲線 ， 如圖13所示 。 按照該參數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無較大損失或超差 。前面針對路譜測試數據進行了振動參數分析 ， 在此針對實際應用中的電池振動安全性測試需求做出進一步的分析:車用動力電池有著其特定的成組結構 ， 若不是只考慮振動對單體性能的影響 ， 則需要充分再現成組應力和預緊力等約束條件 。 因此進行一般的振動測試時 ， 從模組層級入手有著明顯的合理性 。部分電池標準中對幅值 ? 頻率制定明顯偏大 ， 是為了快速檢測被測樣品的耐振動性 。 結合實測數據 ， 即便是單一考慮電池的抗機械濫用能力 ， 不同車型可能存在不同的機械系統(tǒng)連接情況 ， 則需要根據具體的路譜參數分析 。目前看來 ， 實車振動參數容易獲取 ， 但在此基礎上的振動加強程度如何制定較為復雜 。標準中大多規(guī)定了電池振動時的SOC ， 基于上述總結 ， 目前的標準中僅我國的 GB/T31486—2015要求在振動時進行1/3C放電 ， 這是完全符合車輛應用要求的 。 因此 ， 若要充分地探究動力電池振動安全性 ， 則有必要在振動時加入放電工況 ， 這同樣是機械和電性能耦合的研究內容 。
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