新能源動(dòng)力電池機(jī)械沖擊測(cè)試原理與模型研究

梁聰

摘要：機(jī)械沖擊是新能源動(dòng)力電池研發(fā)過(guò)程中安全性、可靠性考核試驗(yàn)的重要測(cè)試內(nèi)容。本文深入研究機(jī)械沖擊試驗(yàn)的測(cè)試原理，通過(guò)建立機(jī)械沖擊動(dòng)力學(xué)模型，探討波形發(fā)生器、試驗(yàn)高度、動(dòng)力電池樣品質(zhì)量和阻尼器粘阻系數(shù)對(duì)動(dòng)力電池機(jī)械沖擊測(cè)試結(jié)果的影響。在此基礎(chǔ)上，提出一種高效調(diào)節(jié)目標(biāo)參數(shù)從而快速獲得理想測(cè)試結(jié)果的試驗(yàn)方法，縮短了實(shí)際工程測(cè)試的調(diào)試時(shí)間并提高測(cè)試效率提供了良好的理論基礎(chǔ)。

Abstract： Mechanical shock is an important part of safety and reliability test in the development of new energy battery. In this paper， the testing principle of mechanical shock is deeply studied， and the dynamic model of mechanical shock is established， the effects of waveform generator， test height， test sample quality and damper viscosity coefficient on the mechanical shock results of power battery were investigated. On the basis of this， a method of adjusting target parameters efficiently to obtain ideal test results is proposed， which provides a good theoretical basis for reducing debugging time and improving test efficiency in practical engineering test.

關(guān)鍵詞：機(jī)械沖擊;脈沖時(shí)間;峰值加速度;動(dòng)力電池

Key words： mechanical shock;pulse time;peak acceleration;power battery

0 ?引言

在國(guó)家政策的強(qiáng)力推動(dòng)下，我國(guó)的新能源汽車(chē)的保有量目前已達(dá)到了百萬(wàn)級(jí)別。隨著新能源汽車(chē)行業(yè)的進(jìn)一步成長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025年前后，新能源汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)量占比會(huì)達(dá)到25%[1]，累計(jì)市場(chǎng)占有率將達(dá)到四成左右。然而，僅在過(guò)去的2019年，據(jù)媒體報(bào)道及統(tǒng)計(jì)，有超過(guò)100例新能源汽車(chē)發(fā)生自然、起火等安全事故。其中，30%的安全事故是因機(jī)械可靠性不足而引起的。而機(jī)械沖擊作為機(jī)械安全性、可靠性考核試驗(yàn)的重要測(cè)試內(nèi)容[2]，動(dòng)力電池生產(chǎn)及研發(fā)企業(yè)、新能源整車(chē)企業(yè)、高校等科研院所、檢測(cè)中心等相關(guān)企業(yè)和單位，紛紛在機(jī)械沖擊領(lǐng)域展開(kāi)相關(guān)研究。

新能源汽車(chē)在實(shí)際工作中會(huì)遇到非正常路面狀況，如溝壑、凸起等，這樣就會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)（一般為幾毫秒到幾十毫秒）對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)引起極大的加速度變化（一般為幾倍到幾十倍的重力加速度）。為了規(guī)范新能源汽車(chē)行業(yè)健康有序發(fā)展，國(guó)標(biāo)委相繼制定了GB/T 31467.3-2015 《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測(cè)試方法》、GB 38031-2020 《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》，機(jī)械沖擊也被引入其中作為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試項(xiàng)目。并且在實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，由于各個(gè)車(chē)輛類(lèi)別和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的不同，主機(jī)廠會(huì)對(duì)動(dòng)力電池提出各種各樣的機(jī)械沖擊試驗(yàn)要求。因此，有必要對(duì)動(dòng)力電池機(jī)械沖擊測(cè)試進(jìn)行相關(guān)原理和模型的研究，才能更好地滿(mǎn)足多種多樣的機(jī)械沖擊測(cè)試需求。

蔣亮亮等人[3，4，5]通過(guò)對(duì)沖擊試驗(yàn)臺(tái)存在的幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討和分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種沖擊試驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)某商用車(chē)用半軸進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。蔣殿臣等人[6]針對(duì)擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)臺(tái)波形試驗(yàn)的調(diào)試方法進(jìn)行了總結(jié)，介紹了擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)臺(tái)的工作原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)組成，概述了響應(yīng)譜型控制的主要技術(shù)指標(biāo)，總結(jié)了目標(biāo)環(huán)境調(diào)試方法、調(diào)試規(guī)律。于洽會(huì)等人[7，8]介紹了一種垂直跌落沖擊臺(tái) ，并對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、沖擊試驗(yàn)的波形進(jìn)行了闡述與分析，并提及了相關(guān)的設(shè)計(jì)思路和改進(jìn)措施。莊佳俊等人[9]討論了加速度傳感器的誤差、工裝夾具的安裝、波形發(fā)生器的選擇等幾種關(guān)鍵因素對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

然而，就目前而言，絕大多數(shù)的機(jī)械沖擊試驗(yàn)是通過(guò)人工迭代，不斷試錯(cuò)的方式進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)，以求達(dá)到所需要的機(jī)械沖擊測(cè)試需求及波形圖?；谏鲜銮闆r，一方面無(wú)法快速響應(yīng)動(dòng)力電池機(jī)械沖擊所提出的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)效率低下;另外一方面，頻繁調(diào)試會(huì)使試驗(yàn)工作人員受傷風(fēng)險(xiǎn)增大，且會(huì)加速?zèng)_擊試驗(yàn)臺(tái)的損耗折舊，使得人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到潛在威脅。本文主要從理論上研究動(dòng)力電池機(jī)械沖擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，深入探討脈寬時(shí)間、峰值加速度、試驗(yàn)高度等試驗(yàn)參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，提出了一種高效、快速調(diào)節(jié)沖擊試驗(yàn)臺(tái)的過(guò)程方法。該方法既提高了機(jī)械沖擊試驗(yàn)的測(cè)試效率，也為后續(xù)的沖擊試驗(yàn)臺(tái)的升級(jí)改造也提供了一種思路和理論基礎(chǔ)，非常具有實(shí)際意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 ?機(jī)械沖擊動(dòng)力學(xué)模型

目前，國(guó)內(nèi)外主流的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)所采用的機(jī)械沖擊臺(tái)的類(lèi)型多為跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)。本文以蘇州蘇試儀器有限公司的QP-1500這款沖擊試驗(yàn)臺(tái)為例，簡(jiǎn)述機(jī)械沖擊臺(tái)的工作過(guò)程：工作臺(tái)由安裝在底座上的兩根滑動(dòng)導(dǎo)向柱導(dǎo)向，可以上下滑動(dòng)。兩個(gè)氣缸通過(guò)活塞桿上的拉桿與工作臺(tái)連接，當(dāng)氣缸充氣時(shí)，活塞桿被向上頂出，帶動(dòng)工作臺(tái)向上提升。沖擊試驗(yàn)一旦開(kāi)始，氣缸充氣，工作臺(tái)向上提升，當(dāng)工作臺(tái)上升到預(yù)先設(shè)定的跌落高度時(shí)，氣缸快速放氣，鎖緊裝置解鎖，工作臺(tái)面自設(shè)定的高度自由跌落。在一般試驗(yàn)過(guò)程中，先將動(dòng)力電池樣品固定于剛性的工作臺(tái)上，然后動(dòng)力電池樣品、工作臺(tái)面，與工作臺(tái)沖擊座及上面預(yù)先安裝的波形發(fā)生器發(fā)生撞擊，完成一次沖擊過(guò)程。

本文通過(guò)抽象波形發(fā)生器、阻尼器以及動(dòng)力電池樣品，簡(jiǎn)化其他非關(guān)鍵部件，得出以下動(dòng)力電池機(jī)械沖擊物理模型：即為具有初速度的帶阻尼的一維振動(dòng)系統(tǒng)。假設(shè)動(dòng)力電池樣品的質(zhì)量為m，工作臺(tái)的質(zhì)量為m0，模擬波形發(fā)生器的彈簧的剛度為k，阻尼器的阻尼系數(shù)為C，動(dòng)力電池樣品偏離原點(diǎn)的位移為x，選取彈簧的平衡位置作為原點(diǎn)，選取向上為正方向，且忽略空氣阻力的影響[10]。根據(jù)牛頓第二定律，可列出以下動(dòng)力學(xué)微分方程：

2.3 動(dòng)力電池樣品質(zhì)量和阻尼器粘阻系數(shù)對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響

動(dòng)力電池樣品質(zhì)量m由于在試驗(yàn)一開(kāi)始就確定了，而粘阻系數(shù)C指的是阻尼器中阻尼材質(zhì)的特性參數(shù)，它在設(shè)備制造時(shí)已經(jīng)確定了，無(wú)法變更。因此，動(dòng)力電池樣品質(zhì)量m和阻尼器粘阻系數(shù)無(wú)法起到調(diào)節(jié)目標(biāo)試驗(yàn)曲線的作用。

3 ?結(jié)論

本文主要研究了機(jī)械沖擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母鱾€(gè)變量參數(shù)對(duì)于機(jī)械沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)波形發(fā)生器、試驗(yàn)高度、動(dòng)力電池樣品質(zhì)量和阻尼器粘阻系數(shù)對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

①脈寬時(shí)間僅由波形發(fā)生器所決定。如果把波形發(fā)生器理解為彈簧，那么波形發(fā)生器的楊氏模量E就對(duì)應(yīng)了彈簧的剛度系數(shù)k。通過(guò)改變波形發(fā)生器的串聯(lián)或者并聯(lián)的數(shù)量（可以理解為將彈簧進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)），就可以達(dá)到調(diào)節(jié)沖擊脈寬時(shí)間的效果。若事先將波形發(fā)生器在線性變化范圍內(nèi)的楊氏模量E與抽象的彈簧剛度系數(shù)k建立換算關(guān)系，再加上已知粘阻系數(shù)C、動(dòng)力電池樣品質(zhì)量m、工作臺(tái)質(zhì)量m0，通過(guò)計(jì)算公式就可以理論推算出所選取的波形發(fā)生器是不是能夠達(dá)到?jīng)_擊試驗(yàn)所要求的脈寬時(shí)間。

②脈沖峰值加速度主要是由試驗(yàn)高度所決定。根據(jù)式（5），在調(diào)整好脈寬時(shí)間后，此時(shí)ω和β就是確定的量。由于當(dāng)t→0，式（5）可近似地理解為取到最大值，那么此時(shí)試驗(yàn)高度h就可以根據(jù)式（5）解出。

③在允許誤差范圍內(nèi)，機(jī)械沖擊試驗(yàn)高效、快捷的調(diào)節(jié)過(guò)程應(yīng)該遵循以下順序：在調(diào)節(jié)跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，應(yīng)先根據(jù)脈沖時(shí)間（此時(shí)T已知）、粘阻系數(shù)C、動(dòng)力電池樣品質(zhì)量m0和工作臺(tái)質(zhì)量m來(lái)計(jì)算剛度系數(shù)k。然后根據(jù)剛度系數(shù)k來(lái)確定波形發(fā)生器的數(shù)量以及串并聯(lián)組合。當(dāng)波形發(fā)生器的形式確定后，再利用式（5）（此時(shí)k、C、m、m0均已知），令t→0，近似地計(jì)算出試驗(yàn)高度h。

參考文獻(xiàn)：

[1]http：//www.miit.gov.cn/n1278117/n1648113/c7553623/content.html.

[2]王彩娟，宋楊，魏洪兵，趙永.部分鋰離子電池的機(jī)械性能研究[J].電池工業(yè)，2010，15（06）：345-347.

[3]蔣亮亮，孫金其，廖龍杰. 落錘式?jīng)_擊驗(yàn)臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 汽車(chē)零部件， 2016（05）：34-37.

[4]周浩. 落錘試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[C]. 2015Altair技術(shù)大會(huì)論文集.澳汰爾工程軟件（上海）有限公司（Altair Engineering，Inc.）：澳汰爾工程軟件（上海）有限公司，2015：882-890.

[5]高奇帥.汽車(chē)零部件沖擊試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及沖擊試驗(yàn)分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[6]蔣殿臣，趙卓茂，馮偉干，田振強(qiáng).新型擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)臺(tái)波形的調(diào)試方法研究[J].機(jī)械工程師，2014（08）：98-99.

[7]于治會(huì).一種跌落沖擊臺(tái)的設(shè)計(jì)問(wèn)題[J].儀器儀表與分析監(jiān)測(cè)，2000（03）：35-40.

[8]吳斌.氣壓驅(qū)動(dòng)垂直沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2002（05）：38-40.

[9]莊佳俊，宋寒，王紅云.沖擊試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的因素分析[J].現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，2011，19（04）：27-29.

[10]Cyril M·Harris and Charles E·Crede. Shock ang vibration Handbook， second edition. New york： Mcgraw-Hill book company， chapter 26.