車(chē)載動(dòng)力電源系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)研究

涂洪成，周時(shí)國(guó)，王　帥，尹利超

（鄭州宇通客車(chē)股份有限公司，鄭州450061）

車(chē)載動(dòng)力電源系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)研究

涂洪成，周時(shí)國(guó)，王帥，尹利超

（鄭州宇通客車(chē)股份有限公司，鄭州450061）

車(chē)載動(dòng)力電源系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的重要組成部分，電源系統(tǒng)的耐振動(dòng)性能直接關(guān)系到整車(chē)的安全和壽命。本文對(duì)動(dòng)力電源振動(dòng)試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)某款車(chē)用純電動(dòng)的動(dòng)力電源系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)研究，給出了試驗(yàn)方法和相關(guān)結(jié)論。

動(dòng)力電源系統(tǒng)；振動(dòng)試驗(yàn)；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

作為電動(dòng)汽車(chē)的重要組成部分，動(dòng)力電源系統(tǒng)的耐振動(dòng)性能的好壞直接決定了整車(chē)的安全性以及使用壽命［1］。動(dòng)力電源系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)的目的是模擬電源系統(tǒng)在汽車(chē)行駛過(guò)程中可能出現(xiàn)的振動(dòng)效果，提前預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障和失效模式，從而在設(shè)計(jì)及裝車(chē)過(guò)程中加以避免［2-4］。本文分析了國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電源系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某款純電動(dòng)客車(chē)用電源系統(tǒng)進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1　動(dòng)力電源系統(tǒng)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)介紹

與電源系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試有關(guān)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)［5-8］如下。

1.1國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

1）ISO 12405。目的是檢測(cè)由于振動(dòng)可能引起的故障，測(cè)試由于道路不平順的隨機(jī)激勵(lì)而引起的隨機(jī)振動(dòng)。確定由振動(dòng)導(dǎo)致的電器故障和失效。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定振動(dòng)前后測(cè)試電源系統(tǒng)的容量，測(cè)試過(guò)程中電源系統(tǒng)SOC調(diào)整到50%。根據(jù)受試樣品數(shù)量的不同，振動(dòng)時(shí)間也不同，樣品數(shù)量為1/2/3個(gè)，分別對(duì)應(yīng)的振動(dòng)時(shí)間為21 h/15 h/12 h。測(cè)試過(guò)程溫度范圍為-40℃～75℃。ISO 12405振動(dòng)圖譜見(jiàn)文獻(xiàn)［6］。

2）SAE J2380-1998和SAE J292-2011。SAE J2380 -1998的測(cè)試目的是考察單箱電池的耐振動(dòng)性能；SAE J292-2011的測(cè)試目的是通過(guò)測(cè)試電源系統(tǒng)的耐振動(dòng)性能確保電池組能夠在EV或HEV中安全地應(yīng)用。SAE J292-2011中規(guī)定可以做整個(gè)電源系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試，也可以作為整車(chē)子系統(tǒng)的項(xiàng)目測(cè)試。作為電源系統(tǒng)測(cè)試，要求電池充滿電，環(huán)境溫度和濕度未做限制，但是通常按照振動(dòng)、溫度、工況三個(gè)綜合條件同時(shí)進(jìn)行，頻率范圍為10Hz～190Hz。測(cè)試要求電源系統(tǒng)測(cè)試前、測(cè)試中、測(cè)試后1h之內(nèi)無(wú)漏液、無(wú)漏氣、無(wú)爆炸，高壓絕緣不低于100Ω/V。測(cè)試后開(kāi)路電壓不低于測(cè)試前開(kāi)路電壓的90%。試驗(yàn)后，電池系統(tǒng)內(nèi)部元器件以及高壓導(dǎo)線沒(méi)有損壞或松動(dòng)。電源系統(tǒng)作為子系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，電池箱或電池模組內(nèi)部零部件通過(guò)電氣或機(jī)械連接，必須固定可靠，以保證隨機(jī)振動(dòng)可以傳遞到這些部件上。同時(shí)，作為整車(chē)的一部分進(jìn)行測(cè)試時(shí)，電池的溫度和SOC按照常態(tài)進(jìn)行，不做要求。SAEJ2380電源系統(tǒng)振動(dòng)圖譜見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。

3）美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)USABC。USABC的電源系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電源系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試的目的是測(cè)試長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)對(duì)電池性能的影響，完善電池性能，改進(jìn)電池的設(shè)計(jì)，保證電池的正常使用。該標(biāo)準(zhǔn)參考SAE J2380標(biāo)準(zhǔn)制定，USABC規(guī)定了正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)兩種振動(dòng)方式。使用正弦掃面僅僅需要24 h就能完成，但是它認(rèn)為隨機(jī)振動(dòng)更有意義。隨機(jī)振動(dòng)分為正常測(cè)試和可選測(cè)試兩部分，正常測(cè)試需要92.5 h，可選測(cè)試需要38.1 h。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)的電源系統(tǒng)SOC，均方根加速度進(jìn)行了規(guī)定，并給出了隨機(jī)振動(dòng)的振動(dòng)譜圖。FreedomCAR功率輔助型混合電動(dòng)車(chē)電池測(cè)試手冊(cè)中振動(dòng)測(cè)試也是參考SAEJ2380中的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電源系統(tǒng)需要充滿電進(jìn)行試驗(yàn)。

4）美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室UL 2580-2011。該標(biāo)準(zhǔn)制定的目的在于保證電源系統(tǒng)安全、可靠的應(yīng)用以及避免對(duì)人造成傷害。它參考SAE J2380制定，同時(shí)它規(guī)定所有方向的振動(dòng)試驗(yàn)，電池SOC都應(yīng)該在80%以上。振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)需要監(jiān)控試驗(yàn)中的開(kāi)路電壓和溫度信息。測(cè)試后的電源系統(tǒng)需要靜止8～24 h。如果放置沒(méi)有問(wèn)題的話，需要再做一個(gè)充放電循環(huán)，才可視為正常電池使用。電源系統(tǒng)振動(dòng)方案具體見(jiàn)文獻(xiàn)［8］。

5）歐標(biāo)EN 60086-4-2007。該標(biāo)準(zhǔn)目的是模擬車(chē)輛運(yùn)輸途中的振動(dòng)效果，測(cè)試條件基于國(guó)際民航組織ICAO設(shè)定的振動(dòng)范圍。它規(guī)定單體電池或電池組應(yīng)當(dāng)牢靠地固定在振動(dòng)平臺(tái)上，不得扭曲，以真實(shí)傳遞運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)效果。振動(dòng)方式為正弦掃描，x/y/z各掃描一次為一個(gè)周期，一個(gè)掃描周期為15min，重復(fù)12次循環(huán)。

1.2國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

1）GB/Z 18333.1［9］和QC/T 743-2006［10］。它們是按照正弦振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)制定的標(biāo)準(zhǔn)，振動(dòng)時(shí)只有z軸方向的振動(dòng)，沒(méi)有規(guī)定水平方向的振動(dòng)。同時(shí)這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)單體電池或電池模組，沒(méi)有整個(gè)電源系統(tǒng)的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

2）GB/T 31467.3-2015［11］。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電池按照隨機(jī)振動(dòng)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照ISO12405中關(guān)于振動(dòng)試驗(yàn)的規(guī)定。同時(shí)規(guī)定了相關(guān)電子裝置的振動(dòng)試驗(yàn)方法，即在10Hz～1 000 Hz范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。均方根加速度值為27.8m/s2。

由以上標(biāo)準(zhǔn)可以看出，電源系統(tǒng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)大多是從ISO 12405和SAE J2380標(biāo)準(zhǔn)中演化而來(lái)，由于測(cè)試目的不同，不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池的SOC狀態(tài)、環(huán)境溫度及測(cè)試時(shí)間進(jìn)行了相應(yīng)的修訂。如SOC狀態(tài)，有50%（ISO）、80%（UL）和100%（USABC和FreedomCAR）幾種。

本文的振動(dòng)試驗(yàn)方法按照國(guó)標(biāo)GB/T 31467.3-2015規(guī)定方法，同時(shí)參考了ISO12405和SAE J2380的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，采用滿電態(tài)的測(cè)試方案，并根據(jù)客車(chē)在運(yùn)行中的振動(dòng)特性，進(jìn)行了電源系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)。

2　電源系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)

通過(guò)參考ISO12405和SAE J2380關(guān)于電源系統(tǒng)振動(dòng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某款純電動(dòng)客車(chē)用電源系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)。為了檢測(cè)電源系統(tǒng)的耐振動(dòng)強(qiáng)度［12-14］，對(duì)振動(dòng)后的電源系統(tǒng)機(jī)械和電氣強(qiáng)度，箱體氣密性以及絕緣性能進(jìn)行了測(cè)試。

2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備及傳感器的設(shè)置

本試驗(yàn)用電源系統(tǒng)（518.4V，172Ah）由6個(gè)結(jié)構(gòu)相同、串并聯(lián)方式一樣的電池包（172.8V，86Ah）組成。按照視同原則，如果單個(gè)電池包能夠滿足振動(dòng)要求，其余電池包也可以視同滿足要求。因此，本試驗(yàn)針對(duì)單個(gè)電池包進(jìn)行了振動(dòng)情況驗(yàn)證。本試驗(yàn)的主要設(shè)備有Digatron電池性能測(cè)試設(shè)備、高低溫環(huán)境箱，振動(dòng)臺(tái)、熱交換器、功率放大器、振動(dòng)控制儀、電荷放大器等。首先，將電池包借助夾具牢固固定在振動(dòng)臺(tái)上，不得扭曲，以真實(shí)傳遞運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)效果。試驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后用0.5 g的加速度對(duì)x/y/z方向上掃頻，頻率范圍為5Hz～200Hz，掃頻速率為10 Oct/min。

在振動(dòng)臺(tái)上布置2個(gè)英邁克加速度傳感器取平均值按照振動(dòng)的要求輸出；夾具上布置2個(gè)英邁克加速度傳感器，監(jiān)控振動(dòng)從振動(dòng)臺(tái)傳遞到夾具的實(shí)際振動(dòng)值；電池的關(guān)鍵部位（電池包內(nèi)部電池模組連接銅排及上下密封蓋固定位置）上布置6個(gè)英邁克加速度傳感器。如圖1所示。

2.2試驗(yàn)方法及步驟

振動(dòng)試驗(yàn)開(kāi)始前需要對(duì)電池進(jìn)行性能測(cè)試，包括容量、電壓、絕緣電阻等。然后將電池包在室溫下以43 A電流恒流充電至100%SOC。待充滿電靜置2 h后再將電池包固定到振動(dòng)臺(tái)操作臺(tái)面上，如圖1所示。

振動(dòng)試驗(yàn)按照先z方向，再y方向，最后x方向的順序進(jìn)行，振動(dòng)頻率范圍為10 Hz～200Hz。z軸、y軸、x軸加速度均方根和振動(dòng)時(shí)間分別為1.44 grms/21 h，1.23 grms/21 h、0.96 grms/21 h。振動(dòng)譜如圖2所示。

為了模擬電源系統(tǒng)真實(shí)的工作溫度環(huán)境，把電源系統(tǒng)放在溫度箱中，在不同時(shí)間改變電池包的環(huán)境溫度。溫度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

合格判定依據(jù)為試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異響，無(wú)噪聲；試驗(yàn)前后電池容量無(wú)明顯差異；電池包電壓及絕緣性能無(wú)異常；試驗(yàn)結(jié)束后樣品外觀和內(nèi)部無(wú)斷裂、扭曲、破裂等機(jī)械損壞現(xiàn)象，氣密性合格；不漏液，不起火，不爆炸。

2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

z、y、x軸振動(dòng)圖譜如圖4-圖6所示，圖中振動(dòng)曲線上下4條線分別為加速度停機(jī)上線，加速度報(bào)警上線，加速度報(bào)警下線，加速度停機(jī)下線。一般加速度停機(jī)上下線為設(shè)定加速度的±6 dB，加速度報(bào)警上下線為設(shè)定加速度的±3 dB。

由圖4-圖6可以看出，電源系統(tǒng)的振動(dòng)在設(shè)定值的合理范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，電池箱體外觀完好，無(wú)機(jī)械性損壞；箱體內(nèi)部模組及相關(guān)線束牢固無(wú)磨損，結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)械性損壞，箱子底部平整無(wú)磨損和破裂現(xiàn)象。向電池箱體內(nèi)部充氣，充氣壓力為3.033 kPa，待平衡后測(cè)量箱體內(nèi)部氣壓為2.980 kPa，氣密性合格；由圖7和圖8可以看出，振動(dòng)試驗(yàn)前電池包容量為86.3 Ah，振動(dòng)后電池包容量為85.4Ah，恢復(fù)容量為86.7Ah。充放電曲線電壓電流無(wú)跳變現(xiàn)象。使用絕緣表以1000V測(cè)量的電池箱體4個(gè)地方的絕緣電阻值均大于100Ω/V，電池的絕緣性能完好。結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)能夠滿足z軸、y軸、x軸1.44 grms、1.23 grms、0.96grms連續(xù)振動(dòng)21h試驗(yàn)要求。

3　結(jié)束語(yǔ)

電源系統(tǒng)對(duì)整車(chē)性能有至關(guān)重要的直接影響，隨著電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)電源系統(tǒng)的振動(dòng)性能需要做進(jìn)一步的深入研究。目前各試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)條件如溫度、電源系統(tǒng)SOC、振動(dòng)能量大小有相對(duì)較大的差異，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的方案進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)受測(cè)試產(chǎn)品本身性能影響，在做振動(dòng)試驗(yàn)操作時(shí)，一定要首先保證電源系統(tǒng)的安全，固定牢固可靠，并在此基礎(chǔ)上選擇合適的試驗(yàn)參數(shù)，確保試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)地反應(yīng)出電源系統(tǒng)本身的性能。

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修改稿日期：2016-03-16

Research on Vibration Experiment of Electric Vehicle Power Battery System

Tu Hongcheng，Zhou Shiguo，Wang Shuai，Yin Lichao
（Zhengzhou Yutong Bus Co.，Ltd，Zhengzhou 450061，China）

The safety and life of a electric vehicle directly relates to the performance of the power battery system，which is an important part of the electric vehicle.The authors introduce the standards of vibration test for the power battery system，and do the experimental research on the power battery system vibration of a pure electric vehicle.

power battery system；vibration experiment；the standard of experiment

U463.63

A

1006-3331（2016）03-0052-04

涂洪成（1983-），男，工程師；主要從事動(dòng)力電源測(cè)試分析工作。