電池包結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞加速試驗(yàn)研究

盧進(jìn)海，李航，王新偉

電池包結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞加速試驗(yàn)研究

盧進(jìn)海，李航，王新偉

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

目前電池包開發(fā)前期可靠性驗(yàn)證主要包括仿真與臺(tái)架試驗(yàn)，其中關(guān)鍵在于如何定義合理的振動(dòng)載荷輸入，既要保證電池包的失效模式一致，還得盡可能縮短試驗(yàn)周期?；谑覂?nèi)臺(tái)架試驗(yàn)采集某電池包與車身連接處加速度信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算獲得全壽命期疲勞損傷譜，運(yùn)用損傷等效原理反算得到目標(biāo)試驗(yàn)周期的振動(dòng)耐久試驗(yàn)載荷從而實(shí)現(xiàn)快速驗(yàn)證的目的。

沖擊響應(yīng)譜；疲勞損傷譜；電池包；加速試驗(yàn)

引言

當(dāng)前隨著環(huán)境污染壓力的加大以及國(guó)家相關(guān)政策大力扶持，各大主機(jī)廠相繼加大力度投入電動(dòng)車研發(fā)，伴隨電動(dòng)車銷量穩(wěn)步攀升，電動(dòng)車的安全可靠性也成了關(guān)注的焦點(diǎn)，也是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素，其中電池包可靠性又是其中的重中之重?；谡嚥贾煤桶踩确矫嬉蛩乜紤]，電池包大多通過螺栓固定安裝在汽車地板下方，主要承受車身傳遞的加速度沖擊[1]，由于路面及速度等工況不確定性，因而往往選擇隨機(jī)載荷來進(jìn)行耐久考核。目前大部分車企的載荷是采用國(guó)標(biāo)或者其它行標(biāo)中的功率譜密度函數(shù)，然而通過仿真與試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供載荷工況要么過于寬松，要么過于嚴(yán)苛。如果選擇過于寬松，不利于在早期暴露結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)而為今后上市車型不良口碑埋下隱患[2]；相反，一旦載荷工況過于嚴(yán)苛就會(huì)造成過試驗(yàn)，不但結(jié)構(gòu)失效位置和模式發(fā)生變化，且試驗(yàn)成本也相應(yīng)加大，因此有必要針對(duì)耐久試驗(yàn)規(guī)范開發(fā)出適合本公司車型的載荷工況來對(duì)電池包進(jìn)行耐久考核。

1 振動(dòng)耐久臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)施

振動(dòng)耐久試驗(yàn)分為定頻、掃頻、隨機(jī)振動(dòng)等形式，對(duì)于電池包而言采用隨機(jī)載荷加載更加符合實(shí)際工況。試驗(yàn)設(shè)備選用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)主要根據(jù)電池包的重量及峰值加速度計(jì)算出振動(dòng)臺(tái)的最大推力確定合適型號(hào)。電池包按照實(shí)際裝車模式通過工裝固定在振動(dòng)臺(tái)，依次加載相應(yīng)的功率譜密度進(jìn)行三個(gè)方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)在電池包與工裝底座關(guān)鍵安裝點(diǎn)布置加速度傳感器。振動(dòng)試驗(yàn)流程如圖1所示：

圖1 振動(dòng)試驗(yàn)流程

2 加速疲勞試驗(yàn)原理

按振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間可以分為普通試驗(yàn)和加速試驗(yàn)。如果破壞機(jī)理是疲勞破壞，那么可以用提高應(yīng)力水平的方法來加速試驗(yàn)，大大節(jié)省振動(dòng)試驗(yàn)的時(shí)間。這種提高量級(jí)、縮短時(shí)間的振動(dòng)試驗(yàn)稱為加速試驗(yàn)[3]。

加速試驗(yàn)方法主要有加快頻率、刪小量和強(qiáng)化載荷幅值?；陔姵匕Y(jié)構(gòu)特性考慮，強(qiáng)化載荷幅值更加合適。加速疲勞試驗(yàn)必須遵循兩個(gè)重要準(zhǔn)則：（1）損傷等效；（2）失效模式不發(fā)生變化[4]。談到加速疲勞原理，有必要引入兩個(gè)重要概念：沖擊響應(yīng)譜SRS和疲勞損傷譜FDS。

沖擊響應(yīng)譜也稱作極限響應(yīng)譜，它描述的是結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的峰值響應(yīng)隨頻率變化的曲線。計(jì)算原理是基于單自由度瞬態(tài)響應(yīng)分析得到各頻率下的最大響應(yīng)值，然后按頻率大小依次排序[5]。

疲勞損傷譜是基于一段時(shí)間內(nèi)的載荷信號(hào)，通過近似傳遞函數(shù)換算得到位移響應(yīng)信號(hào)，然后經(jīng)過雨流計(jì)數(shù)和線性累積損傷計(jì)算得到一條隨頻率變化的損傷曲線，用來表征該段信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷效果[6]。

基于輸入加速度求出結(jié)構(gòu)損傷，然后通過損傷反算得到振動(dòng)載荷。對(duì)于諧響應(yīng)而言，加速度與位移有如下關(guān)系：Displacement=Acceleration/f2，而位移與結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈一定比例關(guān)系，因此在已知加速度的情況下就可以通過關(guān)系式獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力，進(jìn)而獲得相對(duì)損傷值，由于只需要進(jìn)行相對(duì)損傷對(duì)比，因而無需過多考慮傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確度[7]。具體計(jì)算原理見圖2：

圖2 沖擊響應(yīng)譜與疲勞損傷譜計(jì)算原理[3]

3 振動(dòng)臺(tái)加速試驗(yàn)載荷譜合成

3.1 電池包載荷工況確定

為了能在開發(fā)早期掌握電池包結(jié)構(gòu)耐久性能，必須首先確定電池包的典型載荷工況并獲取相應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)。和整車耐久試驗(yàn)類似，最可靠的是基于用戶關(guān)聯(lián)獲得車輛的實(shí)際行駛工況，進(jìn)而采集相應(yīng)的載荷用來對(duì)整車及零部件耐久性能進(jìn)行驗(yàn)證[8]，然而時(shí)至今日整個(gè)汽車行業(yè)也沒有辦法真正地解決用戶與試驗(yàn)場(chǎng)的關(guān)聯(lián)，原因是受駕駛習(xí)慣與路面等眾多因素影響?；谝陨峡紤]同時(shí)兼顧更多用戶使用工況，電池包全生命周期工況選擇整車綜合耐久工況，通過試驗(yàn)場(chǎng)各個(gè)典型路面采集加速度載荷，并根據(jù)規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)編輯處理最終確定目標(biāo)譜，部分路面循環(huán)次數(shù)見下表1。

表1 部分路面循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.2 電池包安裝點(diǎn)加速度信號(hào)采集

電池包由上下兩鈑金殼體外加數(shù)根橫梁支架通過焊接而成，并通過螺栓與車身縱梁固定連接。車輛行駛過程中，沖擊載荷通過螺栓安裝點(diǎn)傳遞至電池包，進(jìn)而使得電池包產(chǎn)生剛性位移與彈性振動(dòng)響應(yīng)。基于以上分析選擇電池包與車身安裝螺栓附近的5個(gè)點(diǎn)采集加速度信號(hào)用于合成加速試驗(yàn)譜。

3.3 加速載荷譜合成結(jié)果

將各典型路面加速度信號(hào)分別通過沖擊響應(yīng)譜與疲勞損傷計(jì)算，然后按照規(guī)范循環(huán)合成得到總的疲勞損傷譜和極限沖擊響應(yīng)包絡(luò)線。

圖3 電池包信號(hào)采集布置

基于損傷等效，以總的疲勞損傷譜為目標(biāo)，生成一個(gè)具有代表性的試驗(yàn)譜。根據(jù)耐久規(guī)范計(jì)算得到正常疲勞試驗(yàn)時(shí)間為76小時(shí)，得到等效目標(biāo)損傷的功率譜密度，如圖4所示：紅藍(lán)綠分別指縱向、側(cè)向、垂向。

圖4 76小時(shí)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)三向功率譜密度曲線

為了達(dá)到加速試驗(yàn)?zāi)康那也怀鰳O值響應(yīng)包絡(luò)，目標(biāo)試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為40小時(shí)，通過調(diào)整耐久試驗(yàn)時(shí)間即可重新計(jì)算得到所需的加速載荷譜。

圖5 測(cè)點(diǎn)1加速載荷功率譜密度曲線

經(jīng)過加速計(jì)算得到的載荷功率譜如圖5所示：結(jié)果顯示三方向載荷能量均集中在100Hz以內(nèi)且各方向幅值都有了一定程度的提升，此外為了檢驗(yàn)加速是否過度，同時(shí)計(jì)算得到?jīng)_擊響應(yīng)譜與目標(biāo)極值包絡(luò)比較，如圖6所示在20Hz以內(nèi)加速載荷沖擊響應(yīng)譜略微超出目標(biāo)響應(yīng)極值，20到100Hz之間加速載荷小于目標(biāo)響應(yīng)極值，因此由76小時(shí)的原試驗(yàn)方案加速到40小時(shí)幾乎接近加速的極限，在條件允許的情況下可以通過批量電池包振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證失效模式的一致性從而進(jìn)一步確認(rèn)加速載荷的可行性。為了方便臺(tái)架試驗(yàn)輸入，可以在此基礎(chǔ)上對(duì)曲線進(jìn)行一定的平滑處理最終得到臺(tái)架輸入載荷。

圖6 垂向沖擊響應(yīng)譜與目標(biāo)包絡(luò)曲線對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出一種振動(dòng)疲勞加速試驗(yàn)方法：基于實(shí)測(cè)電池包加速度信號(hào)進(jìn)行損傷計(jì)算，進(jìn)而根據(jù)耐久試驗(yàn)規(guī)范編制成目標(biāo)損傷譜；基于目標(biāo)損傷譜和設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間，反算獲得疲勞加速試驗(yàn)加載譜，同時(shí)確保沖擊響應(yīng)譜不超出電池包實(shí)際工況下響應(yīng)包絡(luò)線，防止加速過度。該方法可操作性強(qiáng)，且對(duì)于其它汽車零部件的振動(dòng)耐久試驗(yàn)規(guī)范制定有一定的借鑒指導(dǎo)意義。

[1] 王鐵,趙富強(qiáng),張瑞亮,王延忠.變速器加速疲勞分析方法分析[J].汽車工程,2013:35.

[2] 林曉斌.加速疲勞試驗(yàn)的疲勞編輯技術(shù)[J].機(jī)械工程,1998.

[3] 林曉斌.振動(dòng)疲勞的試驗(yàn)加速與CAE分析.ncode疲勞耐久技術(shù)交流會(huì),2015.

[4] 王芳,夏軍.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[M].北京,科學(xué)出版社,2017:258.

[5] 楊宇振.隨機(jī)振動(dòng)加速試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[6] 尹福利,劉衛(wèi)國(guó),王濤等.某電動(dòng)汽車動(dòng)力電池隨機(jī)振動(dòng)仿真與試驗(yàn)[J].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2016:11.

[7] 張方,周凌波,姜金輝等.基于頻域法的隨機(jī)振動(dòng)疲勞加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷,2016:36.

[8] 張然治.疲勞測(cè)試分析理論與實(shí)踐[M].北京,國(guó)防工業(yè)出版社,2011: 253.

Research on Vibration Fatigue Accelerated Test of Battery Pack

Lu Jinhai, Li Hang, Wang Xinwei

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511434 )

At present, the reliability verification of the battery pack development mainly includes simulation and bench test. The key is how to define a reasonable vibration load input. It is necessary to ensure that the failure mode of the battery pack is consistent and the test cycle is shortened as much as possible. The acceleration signal of a battery pack and the body joint is collected based on the indoor bench test. The fatigue damage spectrum of the whole life is calculated and the vibration endurance test load of the target test period is obtained by back-calculation using the damage equivalent principle to achieve the purpose of rapid verification.

SRS; FDS; Battery pack; Accelerated test

U467

A

1671-7988(2019)18-12-03

U467

A

1671-7988(2019)18-12-03

盧進(jìn)海，男，工程師，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，從事汽車結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)與分析研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.004