基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)開發(fā)研究

冷振華

摘 要：電動(dòng)車動(dòng)力電池一般布置在汽車下部車身，在車輛完整的生命周期內(nèi)承受路面?zhèn)鬟f的振動(dòng)激勵(lì)，因此振動(dòng)試驗(yàn)是電池包設(shè)計(jì)開發(fā)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前主流主機(jī)廠和電池包生產(chǎn)廠家在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)一般直接引用國(guó)內(nèi)外主流電池包標(biāo)準(zhǔn)中指定的振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但電池包承受的振動(dòng)激勵(lì)的大小與不同車型的車身和懸架結(jié)構(gòu)強(qiáng)相關(guān)，這就導(dǎo)致振動(dòng)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法模擬電池包在整車上的真實(shí)使用情況。本文介紹了一種基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)，可以無(wú)需試驗(yàn)樣車僅通過(guò)仿真計(jì)算獲得電池包實(shí)際載荷譜，然后基于損失等效原理獲得電池包振動(dòng)試驗(yàn)所需的PSD的方法，可以在項(xiàng)目前期開發(fā)出與整車耐久目標(biāo)相匹配的電池包振動(dòng)耐久試驗(yàn)，提高驗(yàn)證的精度。

關(guān)鍵詞：虛擬試驗(yàn)場(chǎng) 電池包 振動(dòng)試驗(yàn)

Abstract：The electric vehicle power battery is generally arranged in the lower body of the vehicle， and bears the vibration excitation transmitted by the road during the complete life cycle of the vehicle. Therefore， the vibration test is an important part of the design and development of the battery pack. At present， mainstream OEMs and battery pack manufacturers generally directly refer to the vibration test standards specified in the domestic and foreign mainstream battery pack standards when conducting vibration tests， but the magnitude of the vibration excitation experienced by the battery pack is strongly related to the body and suspension structure of different models， which makes the vibration test standard unable to simulate the real use of the battery pack on the vehicle. This paper introduces a method based on the virtual test field technology， which can obtain the actual load spectrum of the battery pack through simulation calculation without the need for a test vehicle， and then obtain the PSD required for the vibration test of the battery pack based on the loss equivalence principle， which can be developed in the early stage of the project. A battery pack vibration durability test that matches the vehicle's durability target is carried out to improve the verification accuracy.

Key words：virtual proving ground， battery pack， vibration test

1 引言

當(dāng)前隨著國(guó)家政策的支持以及電機(jī)、電池和電控三電技術(shù)的成熟發(fā)展，各大主機(jī)廠和新勢(shì)力均加大了對(duì)電動(dòng)智能汽車的布局和研發(fā)投入，并且銷量占比也在持續(xù)增大。電池作為電動(dòng)智能汽車重要的一個(gè)組成部分，尤其近些年電池的能量密度越來(lái)越高，對(duì)電池的可靠性要求也越來(lái)越越關(guān)注，其中振動(dòng)試驗(yàn)是電池包開發(fā)中驗(yàn)證可靠性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在電池的振動(dòng)試驗(yàn)中電池包的氣密性，絕緣，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等均會(huì)被進(jìn)行重點(diǎn)考察。

目前主流主機(jī)廠和電池包生產(chǎn)廠家在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)一般直接引用國(guó)內(nèi)外主流電池包標(biāo)準(zhǔn)中指定的振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但電池包承受的振動(dòng)激勵(lì)的大小與不同車型的車身和懸架結(jié)構(gòu)強(qiáng)相關(guān)，這就導(dǎo)致振動(dòng)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法模擬電池包在整車上的真實(shí)使用情況。部分電池包和整車廠家也基于試驗(yàn)樣車在試驗(yàn)場(chǎng)采集電池包載荷譜制定電池包振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但該方案只能在試驗(yàn)樣車制作完成后進(jìn)行，無(wú)法在項(xiàng)目開發(fā)前期提供有效的設(shè)計(jì)輸入和進(jìn)行相應(yīng)的仿真試驗(yàn)校核。因此有必要建立一種方法可以在項(xiàng)目前期開發(fā)出與整車耐久目標(biāo)相匹配的電池包振動(dòng)耐久試驗(yàn)，提高驗(yàn)證的精度。

本文介紹了一種基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)，無(wú)需試驗(yàn)樣車在開發(fā)前期計(jì)算獲得電池包實(shí)際載荷譜，然后基于損失等效原理獲得電池包振動(dòng)試驗(yàn)所需的PSD的方法。

2 電池包振動(dòng)工況開發(fā)

在整車項(xiàng)目的開發(fā)中，整車耐久試驗(yàn)是作為驗(yàn)證整個(gè)生命開發(fā)周期內(nèi)的產(chǎn)品耐久性的重要試驗(yàn)，其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)一般遵循以下思路：首先基于用戶關(guān)聯(lián)獲取潛在用戶的車輛使用習(xí)慣，包括駕駛習(xí)慣，日常使用的車輛載重情況，行駛路面分布等信息。然后采集可覆蓋用戶不同使用習(xí)慣的車輛載荷作為耐久試驗(yàn)開發(fā)的目標(biāo)?；诖藫p傷目標(biāo)在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)選擇不同的特征路面和定義相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)開發(fā)對(duì)應(yīng)的整車耐久試驗(yàn)。電池包振動(dòng)試驗(yàn)的開發(fā)以整車耐久試驗(yàn)的要求為基礎(chǔ)，選擇其中對(duì)電池激勵(lì)有重要貢獻(xiàn)的路面作為電池包振動(dòng)試驗(yàn)的相應(yīng)工況，通過(guò)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)對(duì)各個(gè)典型路面進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)的計(jì)算，并根據(jù)循環(huán)次數(shù)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：

3 電池包振動(dòng)激勵(lì)計(jì)算

3.1 虛擬試驗(yàn)場(chǎng)（VPG）技術(shù)

虛擬試驗(yàn)場(chǎng)（VPG）技術(shù)是利用虛擬車輛替代物理車輛來(lái)仿真整車物理實(shí)驗(yàn)的CAE仿真技術(shù)，其通過(guò)掃描試驗(yàn)場(chǎng)不同的試驗(yàn)路面，然后在動(dòng)力學(xué)軟件中建立三維路面模型和整車動(dòng)力學(xué)模型，驅(qū)動(dòng)整車模型在不同路面進(jìn)行行駛，以模擬整車在實(shí)際路面承受的激勵(lì)和產(chǎn)生的響應(yīng)，目前已廣泛應(yīng)用于零部件開發(fā)中所需的載荷輸入的提取等相關(guān)工作中。

3.2 虛擬試驗(yàn)場(chǎng)

通過(guò)與第三方公司合作，使用專業(yè)的掃描設(shè)備獲得鹽城試驗(yàn)場(chǎng)不同特征路面的不平度數(shù)據(jù)，三維ie掃描精度可達(dá)1mm，獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)濾波，去均勢(shì)項(xiàng)等處理后生成可由ADAMS識(shí)別的路面文件。

3.3 整車多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

整車多體動(dòng)力學(xué)模型直接影響載荷計(jì)算的精度，決定了是否能獲得準(zhǔn)備的電池包振動(dòng)載荷。首先根據(jù)設(shè)計(jì)定義包括硬點(diǎn)，零件質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，彈性件剛度，減震器阻尼等在ADAMS中建立整車模型，裝配F-tire輪胎模型，輪胎模型由實(shí)測(cè)獲得。電池包在車輛行駛中對(duì)車身扭轉(zhuǎn)敏感度很高，在ADAMS模型中上車體用柔性體模擬并與下車體進(jìn)行裝配。整車模型裝配完成后在電池包所有安裝點(diǎn)和其他剛性較大位置設(shè)定加速度request輸出，獲得車輛在行駛時(shí)電池包的振動(dòng)響應(yīng)，作為計(jì)算電池包振動(dòng)PSD譜的基礎(chǔ)。

3.4 電池包加速度信號(hào)采集

電池包一般有電池包殼體和內(nèi)部密封的電芯，控制器，冷卻系統(tǒng)和高壓線路組成。目前主流的電池包安裝形式一般通過(guò)螺栓與車身縱梁固定連接。車輛行駛過(guò)程中，路面不平度產(chǎn)生的激勵(lì)經(jīng)輪胎、懸架和車身傳遞至電池包，進(jìn)而使得電池包產(chǎn)生剛性位移與彈性振動(dòng)響應(yīng)?；谝陨戏治鲞x擇電池包與車身安裝螺栓附近的6個(gè)點(diǎn)采集加速度信號(hào)用于合成加速試驗(yàn)譜。在MBS模型中設(shè)定加速度輸出，使用虛擬試驗(yàn)技術(shù)驅(qū)動(dòng)整車不同特征路面行駛，獲得加速度載荷譜。

4 電池包振動(dòng)試驗(yàn)PSD譜合成

4.1 加速疲勞試驗(yàn)原理

基于所有路面采集的電池包振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)間很長(zhǎng)，一般可達(dá)數(shù)百小時(shí)，因此必須基于原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加速處理，提高測(cè)試效率。

通常加速試驗(yàn)的開發(fā)是通過(guò)提高激勵(lì)的幅值，加快激勵(lì)的頻率來(lái)節(jié)省試驗(yàn)的時(shí)間。對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)講，一般通過(guò)提高所有頻率段內(nèi)的功率譜密度來(lái)實(shí)現(xiàn)加速。

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。

損傷等效，即樣品在加速試驗(yàn)中受到激勵(lì)時(shí)對(duì)樣品產(chǎn)生的損傷與目標(biāo)保持一致。失效模式不發(fā)生變化是指加速試驗(yàn)所引起的產(chǎn)品的失效必須與產(chǎn)品在整車實(shí)際使用時(shí)產(chǎn)生的失效保持一致。

在振動(dòng)試驗(yàn)中一般引用采用沖擊沖擊響應(yīng)譜SRS，極限響應(yīng)譜ERS和疲勞損傷譜FDS的概念進(jìn)行損傷等效的計(jì)算。

沖擊響應(yīng)譜SRS也稱作極限響應(yīng)譜，是輸入激勵(lì)（加速度）經(jīng)過(guò)多個(gè)固有頻率不同的單自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)濾波后得到的最大響應(yīng)加速度或位移的總結(jié)果。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。極限響應(yīng)譜ERS描述常規(guī)振動(dòng)載荷的期望相應(yīng)。

疲勞損傷譜FDS是基于一段時(shí)間內(nèi)的載荷信號(hào)，通過(guò)近似傳遞函數(shù)換算得到位移響應(yīng)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)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(lái)表征該段信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷效果。獲得電池包實(shí)車的振動(dòng)載荷譜后計(jì)算所有路面累計(jì)的損傷FDS作為振動(dòng)試驗(yàn)制定的損傷目標(biāo)，然后基于損傷等效原則獲得縮短周期后的PSD譜。目標(biāo)PSD譜所計(jì)算的FDS應(yīng)與損傷目標(biāo)保持一致，同時(shí)ERS不能超出原始SRS。具體計(jì)算流程見圖5。

4.2 加速振動(dòng)PSD譜指定

將各典型路面加速度信號(hào)分別按照上述計(jì)算流程獲取沖擊響應(yīng)譜與相應(yīng)的疲勞損傷，然后按照不同路面的規(guī)范循環(huán)進(jìn)行外推合成得到總的疲勞損傷譜和極限沖擊響應(yīng)包絡(luò)線。以總的疲勞損傷譜為目標(biāo)，設(shè)定所需的試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)損傷等效生成具有代表性的振動(dòng)試驗(yàn)PSD譜，同時(shí)確保極限沖擊響應(yīng)在原始的包絡(luò)線以下。通常振動(dòng)試驗(yàn)的單方向試驗(yàn)時(shí)間為12小時(shí)，如圖6所示：紅色為實(shí)車加速后的振動(dòng)試驗(yàn)PSD譜，其余為標(biāo)準(zhǔn)PSD譜。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種電池包振動(dòng)試驗(yàn)的開發(fā)方法：在開發(fā)早期基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)獲得電池包在實(shí)際車輛使用中承受的振動(dòng)激勵(lì)時(shí)域信號(hào)，然后根據(jù)整車耐久試驗(yàn)循環(huán)計(jì)算損傷目標(biāo)，在ncode軟件中編制振動(dòng)試驗(yàn)開發(fā)流程，設(shè)定所需的試驗(yàn)時(shí)間，計(jì)算獲得加速試驗(yàn)所需的振動(dòng)試驗(yàn)PSD譜。該方法可在項(xiàng)目前期提供電池包設(shè)計(jì)的振動(dòng)載荷和仿真校核的輸入，對(duì)于其它汽車零部件的振動(dòng)耐久試驗(yàn)規(guī)范制定也有一定的借鑒指導(dǎo)意義。

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