電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)分析

朱強(qiáng) 謝歡 臧鵬飛 龔明光

上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司 上海市 201805

1 引言

據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截止2022 年6 月底，我國(guó)新能源汽車保有量已突破1000 萬(wàn)輛，占汽車總量的3.23%。近年來(lái)，為了節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，國(guó)家大力支持發(fā)展新能源電動(dòng)汽車，制定了一系列新能源電動(dòng)汽車補(bǔ)貼政策和汽車企業(yè)的管理制度，混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車已成為企業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)。歐洲已有多個(gè)國(guó)家制訂了燃油車退出計(jì)劃，電動(dòng)化已成為汽車的未來(lái)趨勢(shì)。動(dòng)力電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部件，其可靠性直接影響到整車的安全和可靠性[1]。在車輛的行駛過(guò)程中，動(dòng)力電池系統(tǒng)一直承受振動(dòng)載荷的影響，因此抗振動(dòng)性能，是動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。振動(dòng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)動(dòng)力電池系統(tǒng)的機(jī)械可靠性的重要方法，本文主要對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)方法和失效形式進(jìn)行分析研究。

2 振動(dòng)試驗(yàn)

振動(dòng)是指物體相對(duì)平衡位置進(jìn)行的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通常用一些物理量(如位移、速度、加速度等)隨時(shí)間變化的函數(shù)來(lái)表征振動(dòng)的時(shí)間歷程。動(dòng)力電池系統(tǒng)所受到的振動(dòng)的激勵(lì)源主要來(lái)自路面不平度和和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)不平衡等。振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的主要影響有：1）結(jié)構(gòu)損壞，例如部件的變形、裂紋和斷裂等2）工作性能失靈，例如系統(tǒng)工作不穩(wěn)定3) 工藝性能破壞，例如螺栓松動(dòng)、焊點(diǎn)脫落等[2]。根據(jù)加載的載荷譜的不同，振動(dòng)試驗(yàn)一般可以分為以下幾種。

2.1 正弦振動(dòng)

正弦振動(dòng)是一種隨時(shí)間按正弦(或余弦)函數(shù)變化的振動(dòng)，具有一定周期性。正弦振動(dòng)可分為定頻振動(dòng)和掃頻振動(dòng)兩種類型。振動(dòng)頻率始終不變的試驗(yàn)叫定頻振動(dòng)。一般是模擬轉(zhuǎn)速固定的旋轉(zhuǎn)機(jī)械引起的振動(dòng)，或結(jié)構(gòu)固有頻率處的振動(dòng)。定頻振動(dòng)主要用于耐共振頻率振動(dòng)和耐預(yù)定頻率振動(dòng)。

掃頻振動(dòng)試驗(yàn)的頻率將按一定的規(guī)律發(fā)生變化，根據(jù)掃頻速度的不同可以分為線性掃頻和對(duì)數(shù)掃頻兩種。線性掃頻的頻率變化是線性的，即單位時(shí)間掃過(guò)多少赫茲，單位是Hz/s 或Hz/min，這種掃描用于細(xì)找共振頻率的試驗(yàn)。對(duì)數(shù)掃頻的頻率變化按對(duì)數(shù)變化，單位可以是Oct/min 或Oct/s，其中Oct 是倍頻程。對(duì)數(shù)掃描是指在相同時(shí)間掃過(guò)的頻率倍頻程數(shù)是相同的，因此在低頻掃得慢而高頻掃得快。正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件包括試驗(yàn)頻率范圍、試驗(yàn)量級(jí)（加速度幅值大小）、掃描速度和掃描持續(xù)時(shí)間及試驗(yàn)方向。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)是一種時(shí)域波形雜亂，在給定時(shí)刻其瞬時(shí)值不能確定，波形隨時(shí)間無(wú)規(guī)律性的振動(dòng)。產(chǎn)品在運(yùn)輸和實(shí)際使用中所遇到的振動(dòng)，絕大多數(shù)都是隨機(jī)振動(dòng)，例如：車輛在道路上行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，飛機(jī)噪聲使飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)和大氣湍流使機(jī)翼產(chǎn)生振動(dòng)等。因此，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)才能更真實(shí)反映產(chǎn)品的耐振動(dòng)性能。

隨機(jī)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)法用時(shí)間的函數(shù)正確表達(dá)，因此任何時(shí)刻，其振動(dòng)的幅值和頻率都無(wú)法確定，但隨機(jī)振動(dòng)可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行表達(dá)。通常隨機(jī)振動(dòng)在頻域進(jìn)行描述，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件（嚴(yán)酷等級(jí)）一般是由下面四個(gè)組成：1）試驗(yàn)頻率范圍（Hz），頻率范圍是指振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生有效激勵(lì)的最高頻率和最低頻率之間的頻率；2）功率譜密度，功率譜密度是描述振動(dòng)在單位頻率上的能量分布；3）總均方根加速度（Grms），Grms是功率譜密度的頻譜在頻率范圍內(nèi)的積分，即方均根值，通常用于試驗(yàn)誤差的控制和檢測(cè)；4）試驗(yàn)時(shí)間和方向。

2.3 混合模式振動(dòng)

混合模式振動(dòng)一般是正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)的疊加，如:隨機(jī)疊加隨機(jī)、正弦疊加隨機(jī)、正弦疊加隨機(jī)疊加隨機(jī)等。

3 電池系統(tǒng)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

振動(dòng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要方法，在大多數(shù)電池系統(tǒng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中都會(huì)包含振動(dòng)試驗(yàn)。在2020 年發(fā)布的國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB38031 電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求中，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)方法和要求做了明確規(guī)定。在國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，振動(dòng)試驗(yàn)的對(duì)象有單體、模組和系統(tǒng)，其中涉及電池系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)的重要標(biāo)準(zhǔn)主要如下。

3.1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

1)USABC 1996《電池汽車電池測(cè)試手冊(cè)》是由美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)制定的，是比較早期的電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其中的振動(dòng)試驗(yàn)被后期的USABC1999《關(guān)于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)濫用性測(cè)試手冊(cè)》和Freedom CAR《電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車用儲(chǔ)能系統(tǒng)濫用測(cè)試手冊(cè)》參考引用。

2)SAE J2380 是由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)制定，其中的振動(dòng)試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)被廣泛使用。J2380 參考USABC 的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)[3]，用于模擬新能源車用電池受路面不平度激勵(lì)引起的振動(dòng)，以考核電池耐振動(dòng)能力。J2380振動(dòng)試驗(yàn)要求被SAE J2929 和美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室的UL2580 參考引用。該標(biāo)準(zhǔn)提供兩種振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)可選，不同量級(jí)的試驗(yàn)時(shí)間有所不同。

3)UN 38.3 主要用于模擬鋰電池在運(yùn)輸過(guò)程中所受的振動(dòng)載荷，該標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)試驗(yàn)是在X、Y 和Z 三個(gè)方向進(jìn)行掃頻振動(dòng)，振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)根據(jù)樣品重量（12kg）不同有所區(qū)分。

4)ISO 12405 是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定，其詳細(xì)規(guī)定了動(dòng)力電池系統(tǒng)的測(cè)試要求。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)試過(guò)程中的SOC 為50%，可以通過(guò)增加試驗(yàn)樣品數(shù)量來(lái)調(diào)整試驗(yàn)的時(shí)間。該標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)試驗(yàn)被國(guó)內(nèi)早期的GB/T 31467.3-2015 參考引用。

5)ECE R100-02 是當(dāng)前新能源汽車做歐洲認(rèn)證所使用的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的振動(dòng)規(guī)定是7-50Hz 的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，掃頻后動(dòng)力電池系統(tǒng)需要完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)充放電循環(huán)。

3.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

1)GB/T 31467.3-2015 的制定對(duì)于我國(guó)規(guī)范車用動(dòng)力電池系統(tǒng)的測(cè)試具有重要的意義，其中的振動(dòng)測(cè)試參考ISO 12405，但其將SOC 調(diào)整到100%。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了動(dòng)力電池系統(tǒng)的在X、Y 和Z 三個(gè)方向上各進(jìn)行21h 的隨機(jī)振動(dòng)。

2)GB/T 31467.3-2015 的 2017 年 第1 號(hào)修改單。GB/T 31467.3 的振動(dòng)試驗(yàn)要求相對(duì)比較嚴(yán)苛，試驗(yàn)的通過(guò)率較低，雖然企業(yè)可以通過(guò)產(chǎn)品的改進(jìn)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但同時(shí)也會(huì)造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過(guò)度增大，成本增加，與整車輕量化原則相違背。大量實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)也證明實(shí)車的振動(dòng)載荷相對(duì)柔和。因此，在2017 年將GB/T 31467.3 的振動(dòng)要求改為1 號(hào)修改單的內(nèi)容。其參考ECE R100-02，規(guī)定動(dòng)力電池系統(tǒng)做垂直方向的3h 掃頻試驗(yàn)。

3)GB 38031 是我國(guó)車用動(dòng)力電池領(lǐng)域的第一個(gè)國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，它將代替GB/T 31467.3，規(guī)范車用動(dòng)力電池的測(cè)試要求。該標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)定將電池包或系統(tǒng)的SOC 調(diào)整為不低于50%，振動(dòng)試驗(yàn)載荷根據(jù)車型的不同也有所不同，試驗(yàn)分為隨機(jī)振動(dòng)和定頻振動(dòng)兩部分。其中隨機(jī)振動(dòng)的功率譜密度（PSD）是根據(jù)大量不同車型在道路行駛中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而來(lái)，更接近我國(guó)新能源車輛的動(dòng)力電池系統(tǒng)的實(shí)際受載情況。與GB/T 31467.3 和其1 號(hào)修改單相比，GB 38031 的振動(dòng)試驗(yàn)更加合理。

國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池系統(tǒng)的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)既有聯(lián)系，又有區(qū)別[1]，很多是有ISO 12405 和SAE J2380 演化而來(lái)，但各標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件（例如頻率范圍、試驗(yàn)量級(jí)）和試驗(yàn)樣品的要求有所不同，各標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)比較

4 動(dòng)力電池系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)

4.1 振動(dòng)臺(tái)

振動(dòng)試驗(yàn)一般是使用振動(dòng)臺(tái)完成的，振動(dòng)臺(tái)有機(jī)械振動(dòng)臺(tái)、液壓振動(dòng)臺(tái)和電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)等。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)是應(yīng)用比較廣泛的一種類型，其工作頻率寬，振動(dòng)波形好，控制和操作方便，一般可滿足2Hz 以上的振動(dòng)試驗(yàn)。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的工作示意圖見(jiàn)圖1，試驗(yàn)條件通過(guò)電腦的控制軟件設(shè)置，經(jīng)振動(dòng)控制儀發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)給功率放大器，信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)開(kāi)始振動(dòng)，加速度傳感器采集控制點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)并反饋給控制儀，控制軟件會(huì)根據(jù)反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以使樣品所受的振動(dòng)載荷與目標(biāo)譜一致。振動(dòng)試驗(yàn)前，需要核對(duì)振動(dòng)臺(tái)的能力是否符合試驗(yàn)的要求，振動(dòng)臺(tái)的主要參數(shù)有最大推力、最大加速度、最大速度、最大位移和頻率范圍等。

圖1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)原理示意圖

4.2 試驗(yàn)夾具

動(dòng)力電池系統(tǒng)一般是通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的夾具固定在振動(dòng)臺(tái)上。夾具的主要作用是將樣品固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，并將振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)載荷不失真的傳遞到試驗(yàn)樣件上。因此對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的工裝有以下幾個(gè)方面要求。

1）夾具要盡可能的模擬電池系統(tǒng)在整車上的安裝狀態(tài)。動(dòng)力電池系統(tǒng)在整車上的安裝方式通常有平鋪式、懸掛式和壓裝式。電動(dòng)客車和專用車所用電池系統(tǒng)大多數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)箱式電池包，通常是平鋪在底盤(pán)上并通過(guò)螺栓固定，大多數(shù)乘用車所用的電池系統(tǒng)是通過(guò)掛耳懸掛在底盤(pán)上，還有一些快換類型的電池系統(tǒng)是通過(guò)壓緊裝置壓緊在車輛上的。因此，動(dòng)力電池系統(tǒng)與工裝的固定方式、螺栓規(guī)格和扭矩要求要與實(shí)車保持一致，才能模擬實(shí)車受載情況。

2）夾具的剛度和質(zhì)量。電池系統(tǒng)的夾具要有足夠的剛度，以保證振動(dòng)載荷的傳遞不失真，但同時(shí)要保證質(zhì)量盡量小，夾具的重量過(guò)重會(huì)影響到振動(dòng)臺(tái)的承載能力和推力，因此夾具的制造要選擇合適材料和工藝。

3）夾具的固有頻率。夾具的一階固有頻率要大于試驗(yàn)的頻率范圍，以免振動(dòng)時(shí)夾具發(fā)生共振，影響樣品的受載情況。在整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，夾具的頻響特性要平坦，還應(yīng)避免夾具與樣品發(fā)生共振耦合。

4）夾具的側(cè)向運(yùn)動(dòng)要盡量小。

4.3 傳感器的布置

振動(dòng)試驗(yàn)的傳感器通常分為控制點(diǎn)和監(jiān)控點(diǎn)兩種，監(jiān)控點(diǎn)的傳感器只用于監(jiān)控測(cè)試數(shù)據(jù)，而控制點(diǎn)傳感器的反饋數(shù)據(jù)則參與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的調(diào)整，使控制點(diǎn)的振動(dòng)量級(jí)達(dá)到目標(biāo)值。根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)量的不同，可以分為單點(diǎn)控制和多點(diǎn)控制，多點(diǎn)控制的策略可以是最小值、最大值或算術(shù)平均值控制?？刂泣c(diǎn)一般選擇在動(dòng)力電池包和夾具的固定點(diǎn)附近，以使目標(biāo)振動(dòng)譜準(zhǔn)確的傳遞到樣品上。

4.4 試驗(yàn)監(jiān)控

試驗(yàn)過(guò)程中要實(shí)時(shí)監(jiān)控電池包的狀態(tài)，重點(diǎn)監(jiān)控最大單體電壓、最小單體電壓、最大溫度、總壓和絕緣狀態(tài)等參數(shù)，如果關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化，例如電壓出現(xiàn)壓降等，需要立即停止振動(dòng)，檢查電池包的狀態(tài)。振動(dòng)過(guò)程中，還需要時(shí)時(shí)觀察電池包的外殼結(jié)構(gòu)和振動(dòng)聲音的變化。

4.5 某款動(dòng)力電池系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)

本文選用了一款乘用車用動(dòng)力電池系統(tǒng)，參考GB38031 進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)前，對(duì)電池包進(jìn)行性能測(cè)試，包括容量、絕緣和氣密性等，功能檢查正常后開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)夾具將電池包固定在振動(dòng)臺(tái)上，電池包和夾具的固定方式、螺栓規(guī)格和實(shí)車裝配保持一致?？刂泣c(diǎn)傳感器布置在夾具與電池包固定的螺栓附近，采用4 個(gè)對(duì)角位置的傳感器的進(jìn)行算術(shù)平均值控制。在隨機(jī)振動(dòng)前后進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，以測(cè)試樣品的固有頻率，掃頻范圍5 至200Hz，掃頻速度1Oct/min，振動(dòng)量級(jí)0.5g。Z 方向振動(dòng)前后的掃頻數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2 和圖3，由圖可見(jiàn)Z 方向振動(dòng)前一階固有頻率是57.06Hz，振動(dòng)后的一階固有頻率是54.94Hz，試驗(yàn)前后變化不大。按照GB38031 的要求，樣品先后在Z、Y、X 三個(gè)方向上做隨機(jī)和定頻振動(dòng)，三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度見(jiàn)圖4～圖6。振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，電池包的監(jiān)控參數(shù)無(wú)異常變化，外觀結(jié)構(gòu)完好，無(wú)泄漏、破裂等現(xiàn)象。試驗(yàn)后，對(duì)電池包進(jìn)行性能測(cè)試，電池包絕緣正常、容量無(wú)明顯變化、氣密性合格，符合測(cè)試要求。

圖2 Z 方向振動(dòng)前掃頻

圖3 Z 方向振動(dòng)后掃頻

圖4 Z 方向振動(dòng)PSD

圖5 Y 方向振動(dòng)PSD

圖6 X 方向振動(dòng)PSD

5 振動(dòng)試驗(yàn)的失效形式

根據(jù)以往的振動(dòng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)力電池系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試失效形式主要有下面幾個(gè)方面：1）電池包上下殼體開(kāi)裂，見(jiàn)圖7 所示；2）電池包的掛耳或嵌套螺帽開(kāi)裂，見(jiàn)圖8 所示；3）高壓匯流線斷裂；4）單體電壓采樣線松動(dòng)或斷裂；5）模組固定螺栓松動(dòng)造成模組移動(dòng)，見(jiàn)圖9；6）控制系統(tǒng)（BMS）松動(dòng)或斷裂等。

圖7 電池包下底殼開(kāi)裂圖

圖8 電池包掛耳開(kāi)裂圖

圖9 電池包內(nèi)模組松動(dòng)圖

6 結(jié)語(yǔ)

隨著新國(guó)標(biāo)GB38031 的制定和實(shí)施，動(dòng)力電池系統(tǒng)的測(cè)試有了合理、規(guī)范的依據(jù)，但本人認(rèn)為當(dāng)前測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的振動(dòng)要求還有改進(jìn)的地方，例如標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)振動(dòng)樣品和夾具的安裝要求做出規(guī)定，安裝狀態(tài)的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大影響。另外，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)未對(duì)峰值因子或削波系數(shù)做出規(guī)定，在Grms 值相同的情況下，這兩個(gè)參數(shù)的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有很大影響，為了使振動(dòng)試驗(yàn)更接近實(shí)際路況載荷的影響，還需要研究合理的峰值因子或削波系數(shù)。近幾年動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)展迅速，其結(jié)構(gòu)的耐振動(dòng)性能有很大的提高，但仍然存在很多振動(dòng)失效案例，因此在機(jī)械強(qiáng)度和輕量化方面，還有很大的改進(jìn)空間。