車用動(dòng)力蓄電池在強(qiáng)化道路振動(dòng)下性能變化規(guī)律的研究

文/周曉冬 謝 歡

車用動(dòng)力蓄電池在強(qiáng)化道路振動(dòng)下性能變化規(guī)律的研究

文/周曉冬1謝 歡2

通過(guò)整車強(qiáng)化道路試驗(yàn)和動(dòng)力蓄電池振動(dòng)強(qiáng)化試驗(yàn)，考察振動(dòng)對(duì)于車用動(dòng)力蓄電池的性能變化影響；利用強(qiáng)化道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究振動(dòng)從路面到蓄電池的傳遞過(guò)程；對(duì)動(dòng)力蓄電池振動(dòng)前后的性能進(jìn)行了分析研究。為動(dòng)力蓄電池耐久性試驗(yàn)研究提供參考。

強(qiáng)化振動(dòng) 道路譜分析 動(dòng)力蓄電池性能

電動(dòng)汽車的研發(fā)對(duì)解決能源和環(huán)境污染問(wèn)題具有重要的意義。動(dòng)力蓄電池作為電動(dòng)汽車的核心部件，對(duì)其性能的穩(wěn)定性研究更是必不可少。

影響汽車運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)力蓄電池性能的因素包括：動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略、電池本身的充放電性能、電池受振動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)可靠性等。其中，路面不平激勵(lì)引起的電池振動(dòng)是其出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞破壞甚至整體失效的重要原因。

本文通過(guò)強(qiáng)化道路試驗(yàn)與動(dòng)力蓄電池強(qiáng)化振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)動(dòng)力蓄電池振動(dòng)前后的性能進(jìn)行具體的分析研究，以說(shuō)明振動(dòng)對(duì)車用動(dòng)力蓄電池性能的具體影響以及性能隨振動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律，為相關(guān)企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供一些參考。

一、試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)通過(guò)道路模擬試驗(yàn)獲得動(dòng)力蓄電池的響應(yīng)信號(hào)，將采集的整車振動(dòng)道路信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和迭代，將迭代得到的動(dòng)力蓄電池強(qiáng)化振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的振動(dòng)信號(hào)導(dǎo)入到六通道MAST系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備中，利用電子控制單元和伺服控制單元驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)激勵(lì)動(dòng)力蓄電池進(jìn)行強(qiáng)化振動(dòng)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)進(jìn)行190 h的強(qiáng)化振動(dòng)試驗(yàn)，其當(dāng)量運(yùn)行里程約2.66×105km。

二、強(qiáng)化道路譜分析

為了將采集到的強(qiáng)化道路應(yīng)用于類似車型的強(qiáng)化振動(dòng)試驗(yàn)中，以進(jìn)一步節(jié)省試驗(yàn)成本、減小試驗(yàn)周期，對(duì)車輛的強(qiáng)化道路振動(dòng)譜進(jìn)行分析，總結(jié)其頻域和強(qiáng)度特征顯得尤為重要。

利用強(qiáng)化道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)路面激勵(lì)、軸頭及蓄電池響應(yīng)振動(dòng)特征進(jìn)行總結(jié)，并研究振動(dòng)從路面到蓄電池的傳遞過(guò)程，為動(dòng)力蓄電池耐久性試驗(yàn)研究提供機(jī)械振動(dòng)特征方面的支持。

1. 路面激勵(lì)特征

將由原始道路響應(yīng)譜迭代而來(lái)的試驗(yàn)臺(tái)激勵(lì)信號(hào)近似代替道路實(shí)際激勵(lì)信號(hào)。由于試驗(yàn)中響應(yīng)信號(hào)都是通過(guò)加速度傳感器測(cè)得的，為了更準(zhǔn)確地對(duì)比激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)的特征，需要將位移激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為加速度信號(hào)（見(jiàn)圖1、表1）。

圖1 路面激勵(lì)加速度信號(hào)時(shí)域及頻域信號(hào)

表1 路面激勵(lì)加速度信號(hào)時(shí)域特征統(tǒng)計(jì) g

表2 路面激勵(lì)加速度信號(hào)頻域特征分析

由路面激勵(lì)的時(shí)域分析（見(jiàn)表2）可以看出，四輪路面激勵(lì)加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律并不完全一致，而且激勵(lì)幅值有較大差異。其中，右邊車輪遠(yuǎn)大于左邊車輛，而且前后車輪激勵(lì)強(qiáng)度也不一致。從頻域分析來(lái)看，路面激勵(lì)信號(hào)加速度功率譜的頻率范圍約為0.125～34.91 Hz。加速度功率譜密度的幅值范圍約為2 ×10-3～300 m2/s-3，符合強(qiáng)化道路的路面特征。強(qiáng)化道路條件下，四個(gè)車輪受到的路面激勵(lì)頻率范圍相同，并且幅值隨頻率的變換趨勢(shì)相同，而各個(gè)頻率下的激勵(lì)幅值略有差別。以上均符合實(shí)際道路的特征且真實(shí)性較高。

2. 軸頭響應(yīng)特征

試驗(yàn)時(shí)采集了四輪軸頭位置的加速度響應(yīng)信號(hào)，下面對(duì)其進(jìn)行時(shí)域和頻域特征分析（見(jiàn)圖2、表3、表4）。

圖2 軸頭響應(yīng)加速度信號(hào)時(shí)域及頻域信號(hào)

表3 軸頭響應(yīng)加速度信號(hào)時(shí)域特征分析 g

表4 軸頭響應(yīng)加速度信號(hào)頻域特征分析

由表3、表4中可以看出，四個(gè)軸頭響應(yīng)信號(hào)時(shí)域特征與前述的路面位移激勵(lì)的時(shí)域特征相似，各軸頭響應(yīng)的最大值、最小值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差等都很相似，說(shuō)明強(qiáng)化道路下軸頭響應(yīng)振動(dòng)整體特征相同，路面激勵(lì)經(jīng)過(guò)輪胎的過(guò)濾后產(chǎn)生了較一致的響應(yīng)。由軸頭響應(yīng)的功率譜密度曲線圖2可知，軸頭振動(dòng)的頻率范圍是0.5～35 Hz，與路面激勵(lì)頻率范圍相同。但軸頭響應(yīng)的中心頻率范圍（幅值大于0.05g2?s）約為5～28 Hz。因此，輪胎濾過(guò)了部分路面激勵(lì)，縮小了振動(dòng)頻率范圍減小。四個(gè)軸頭響應(yīng)振動(dòng)在頻率和強(qiáng)度方面的相互差別相對(duì)路面激勵(lì)都有很大的減小，保持了車輛不同位置的振動(dòng)平衡性，有利于減小車廂的前后左右晃動(dòng)，提高乘坐舒適性。

3. 動(dòng)力蓄電池響應(yīng)特征

由于四輪激勵(lì)存在這種并不等同于理想路面的差異，布置在車輛底盤(pán)上的各關(guān)鍵零部件存在X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)輸入，這點(diǎn)是不同于整車振動(dòng)的。因此，需要在動(dòng)力蓄電池Z、X、Y三個(gè)方向分別取測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)分析其振動(dòng)特征。

圖3 動(dòng)力蓄電池響應(yīng)加速度時(shí)域及頻域信號(hào)

表5 動(dòng)力蓄電池響應(yīng)加速度信號(hào)時(shí)域特征分析 g

表6 動(dòng)力蓄電池響應(yīng)加速度信號(hào)頻域特征分析

由以上圖3、表5、表6看出，動(dòng)力蓄電池三個(gè)方向的響應(yīng)時(shí)域特征互不相同。其中，Z向響應(yīng)振動(dòng)強(qiáng)度最大，X向最小。除了振動(dòng)強(qiáng)度有差異外，各向振動(dòng)隨時(shí)間的變化規(guī)律比較一致，說(shuō)明強(qiáng)化道路條件下，動(dòng)力蓄電池的各向振動(dòng)是同時(shí)產(chǎn)生的。頻域方面，動(dòng)力蓄電池各向振動(dòng)的頻率范圍相同，都是0.5～20.3 Hz，但是峰值頻率互不相同。同時(shí)，三個(gè)方向響應(yīng)振動(dòng)的功率譜密度幅值也是Z向最大、X向最小，與時(shí)域特征一致。

4. 道路振動(dòng)傳遞過(guò)程

① 頻域變化過(guò)程。從路面激勵(lì)到軸頭響應(yīng)，再到蓄電池響應(yīng)的頻率范圍和中心頻率都有較大的變化（見(jiàn)表7）。從該表可知，道路振動(dòng)從路面到蓄電池的傳遞過(guò)程中，其高頻振動(dòng)逐漸受到抑制，頻率范圍也逐漸縮小。同時(shí)，主要振動(dòng)頻率也從寬到窄，振動(dòng)的頻率特征也越來(lái)越明顯。動(dòng)力蓄電池響應(yīng)振動(dòng)峰值頻率較多，且較為分散，振動(dòng)特征也較為復(fù)雜。

表7 振動(dòng)頻率變化表

② 振動(dòng)強(qiáng)度變化過(guò)程。強(qiáng)化道路條件下，振動(dòng)的強(qiáng)度是一個(gè)逐級(jí)衰減的過(guò)程。從路面到軸頭的最大加速度由53g減小到28.9g，衰減了約45%，加速度均方根值從4.53g減小到4.1g，衰減了9.5%。從軸頭到蓄電池，最大加速度由28.9g減小到2.71g，衰減率為90.6%，加速度均方根值由4.1g減小到0.21g，衰減了94.9%。由此可知，從路面到軸頭的振動(dòng)強(qiáng)度衰減較小，輪胎主要起到了頻率過(guò)濾作用。軸頭到蓄電池經(jīng)過(guò)了懸架、彈性車架等結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)衰減程度很大，蓄電池響應(yīng)振動(dòng)相對(duì)于軸頭幾乎可以忽略不計(jì)。

三、振動(dòng)前后動(dòng)力蓄電池性能變化

1. 動(dòng)力蓄電池振動(dòng)總體情況

動(dòng)力蓄電池振動(dòng)強(qiáng)化試驗(yàn)當(dāng)量行駛總里程約為2.66×10-5km，蓄電池的外殼、安裝支架無(wú)明顯的變形、裂紋和破壞，蓄電池內(nèi)部的電器元件結(jié)構(gòu)完整，線纜連接無(wú)松動(dòng)和破壞。

① 容量變化規(guī)律。動(dòng)力蓄電池容量測(cè)試主要根據(jù)QC/T 743-2006《電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池》中規(guī)定的方法進(jìn)行：

蓄電池充電：在一定的溫度下，蓄電池以3 h率放電電流（I3）放電，至蓄電池電壓達(dá)到放電終止電壓是停止放電，靜置1 h，然后在同樣的條件下以I3恒流充電，至蓄電池電壓達(dá)到充電終止電壓是轉(zhuǎn)為恒壓充電，至充電電流降至0.1I3時(shí)停止充電。充電后靜置1 h。

蓄電池以I3電流放電，直至放電終止電壓。

用I3的電流值和放電時(shí)間數(shù)據(jù)計(jì)算容量，如公式（1）所示。

式中：C——蓄電池容量，Ah；

If——恒定放電電流，A；

T——放電時(shí)間，h。

蓄電池共振動(dòng)190 h，振動(dòng)過(guò)程中每隔20 h進(jìn)行一次性能測(cè)試，主要測(cè)量其容量和內(nèi)阻的變化，以考察振動(dòng)對(duì)蓄電池性能的影響。蓄電池組的理論電壓范圍為288～403.2 V，理論容量為8 Ah。為確保蓄電池組的正常工作和使用壽命，考慮到內(nèi)阻和試驗(yàn)誤差的影響，實(shí)際測(cè)試時(shí)蓄電池組的荷電狀態(tài)（SOC）控制在30%～70%，對(duì)應(yīng)電壓為360～392 V。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)估算出其實(shí)際容量在5.5～6 Ah左右。由此，我們得出了蓄電池容量和振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系：

圖4 蓄電池組容量隨振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系

由圖4可以看出，隨著振動(dòng)時(shí)間的增加，動(dòng)力蓄電池的容量隨之減小。在振動(dòng)初期（40 h以內(nèi)），動(dòng)力蓄電池容量下降速度較快，在振動(dòng)40 h以后，容量衰減速度減慢，振動(dòng)時(shí)間在40～100 h這段時(shí)間內(nèi)容量變化基本趨于穩(wěn)定。當(dāng)振動(dòng)時(shí)間超過(guò)120 h后，其容量又有了明顯的下降趨勢(shì)。

② 內(nèi)阻變化規(guī)律。蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。目前，測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的方法主要有兩種：直流放電法和交流注入法。為了測(cè)量結(jié)果簡(jiǎn)便，采用美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)USABC中規(guī)定的方法：

由于充放電電流對(duì)于內(nèi)阻也有影響，因此我們?cè)囼?yàn)時(shí)選取3種不同的充放電電流，考察其內(nèi)阻的變化。最后計(jì)算得出的內(nèi)阻詳見(jiàn)圖5：

圖5 蓄電池內(nèi)阻和振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系

從圖5中可以看出，隨著振動(dòng)時(shí)間的增加蓄電池組的內(nèi)阻呈下降趨勢(shì)，且在振動(dòng)的初期這種下降趨勢(shì)比較明顯（40 h以內(nèi)），在40～100 h這段時(shí)間內(nèi)，動(dòng)力蓄電池內(nèi)阻基本趨于平穩(wěn)，但在振動(dòng)時(shí)間超過(guò)120 h后內(nèi)阻有了一個(gè)明顯的上升趨勢(shì)，在振動(dòng)150 h后內(nèi)阻又趨于平穩(wěn)。

從圖5中還可以看出，當(dāng)放電電流為1C時(shí)，其內(nèi)阻要大于0.5C和6C時(shí)的內(nèi)阻值，放電電流為0.5C的內(nèi)阻值最小。

四、總 結(jié)

通過(guò)此次強(qiáng)化振動(dòng)試驗(yàn)，獲得了動(dòng)力蓄電池強(qiáng)化振動(dòng)譜。提取了路面激勵(lì)、軸頭響應(yīng)、蓄電池響應(yīng)振動(dòng)譜的特征，并分析了振動(dòng)頻率及強(qiáng)度的變化過(guò)程，為蓄電池耐久性研究提供了機(jī)械振動(dòng)方面的支持。對(duì)于動(dòng)力蓄電池，經(jīng)過(guò)190 h的臺(tái)架強(qiáng)化振動(dòng)后可見(jiàn)，振動(dòng)對(duì)動(dòng)力蓄電池的容量和內(nèi)阻都有重要影響，這也從另一方面說(shuō)明振動(dòng)對(duì)動(dòng)力蓄電池的壽命也有重要影響。

The article studies the impact of vibration to vehicle traction battery performance change through intensified road test of whole vehicle and intensified vibration test of the traction battery. This paper uses the intensified road test data to study the transmission of vibration from road to the traction battery, analyzes the performance of the traction battery before and after vibration, and provides some reference for the durability study on the traction battery.

Intensif i ed vibration; Road spectrum analysis; Performance of traction battery

（作者單位：1同濟(jì)大學(xué)2國(guó)家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（上海））