新能源乘用車動力電池總成振動耐久性試驗(yàn)方法研究

【摘要】為在乘用車動力電池總成振動耐久性驗(yàn)證試驗(yàn)中準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)其在真實(shí)使用環(huán)境中所承受的機(jī)械振動，針對試驗(yàn)臺架的選擇問題，開展了試驗(yàn)研究和系統(tǒng)分析論證，證明了動力電池總成所承受的機(jī)械振動主要來源于路面激勵(lì)，經(jīng)懸架傳遞至動力電池總成的機(jī)械振動主要在垂向累積形成偽損傷，且主要由5 Hz以下的低頻信號累積形成，并通過虛擬相干自功率譜分析證明了動力電池總成所承受的機(jī)械振動來自多個(gè)獨(dú)立的激振源，是典型的多軸振動問題。研究結(jié)果表明，應(yīng)采用六自由度多軸模擬振動臺架開展乘用車動力電池總成振動耐久性試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：動力電池總成 機(jī)械振動 試驗(yàn)方法 偽損傷 多軸振動

中圖分類號：U467.5" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230483

Investigation on Vibration Durability Testing Method of Power Battery Assembly of New Energy Passenger Car

Liang Rongliang1，2， Li Xudong2， Kang Dawei3， Zhou Mingyue2， Zhan Yongxiao2

（1. Tianjin University， Tianjin 300072; 2. CATARC Automotive Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300300; 3. Deepal Automotive Technology Co.， Ltd.， Chongqing 400020）

【Abstract】Focusing on the question of which test rig should be selected in vibration durability test of power battery assembly of passenger car to accurately reproduce the mechanical vibration it borne in real environment， experimental research and systematic analysis and demonstration are carried out. It is proved that the mechanical vibration borne by power battery assembly mainly came from road excitation and the mechanical vibration transmitted to power battery assembly through suspensions mainly resulted in vertical pseudo damage， which is mainly accumulated by low-frequency signals below 5 Hz. Through the analysis of virtual coherent auto-power， it is proved that the mechanical vibration of power battery assembly came from multiple independent excitation sources， which is a typical multiaxial vibration problem. Finally， it is concluded that the 6 DOF vibration test bench should be used to carry out the vibration durability test of power battery assembly of passenger car.

Key words： Power battery assembly， Mechanical vibration， Test method， Pseudo damage， Multiaxial vibration

【引用格式】 梁榮亮， 李旭東， 康大為， 等. 新能源乘用車動力電池總成振動耐久性試驗(yàn)方法研究[J]. 汽車工程師， 2025（1）： 10-19.

LIANG R L， LI X D， KANG D W， et al. Investigation on Vibration Durability Testing Method of Power Battery Assembly of New Energy Passenger Car[J]. Automotive Engineer， 2025（1）： 10-19.

1 前言

動力電池總成是電動汽車最重要的子系統(tǒng)之一，其耐久性和可靠性關(guān)乎車輛的使用安全性。車輛的使用環(huán)境和工況類型多樣[1]，在整個(gè)生命周期內(nèi)，動力電池總成會暴露在復(fù)雜的機(jī)械振動環(huán)境中，因此，在試驗(yàn)室環(huán)境下如何選擇合適的試驗(yàn)臺架準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)動力電池總成在整車和真實(shí)環(huán)境中所承受的機(jī)械振動，以考核其耐久性和可靠性，以及機(jī)械振動對動力電池各項(xiàng)性能的影響，是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。

Hooper和Marco關(guān)注到典型新能源車輛動力電池總成所承受機(jī)械振動的頻譜特征與既有試驗(yàn)規(guī)范（SAE J2380）中的載荷譜特征存在明顯的區(qū)別[2]，基于頻域疲勞加速試驗(yàn)理論建立了單軸電磁振動臺架的試驗(yàn)規(guī)范[3]，并開展了鎳錳鈷（NMC）氧化物鋰電池[4]和鎳鈷鋁（NCA）氧化物鋰電池[5]在振動耐久性試驗(yàn)中的性能測試對比研究，最后，改用六自由度振動臺架作為振動耐久性試驗(yàn)平臺[6]，對NCA氧化物鋰電池開展了性能測試對比研究。符興鋒等[7]參照GB/T 31467.3的要求，對動力電池總成進(jìn)行了振動疲勞分析，楊洪宇等[8]對動力電池總成在六自由度振動臺架上的振動測試開展了仿真分析。

總體來看，國外研究團(tuán)隊(duì)對采用哪種試驗(yàn)臺架準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)動力電池總成所承受的機(jī)械振動進(jìn)行了漸進(jìn)式探索，國內(nèi)目前研究還不充分，存在爭論。

由于試驗(yàn)臺架選型是重要的基礎(chǔ)性決策問題，后續(xù)載荷譜的采集、編制和試驗(yàn)加速方法，以及圍繞動力電池總成所承受機(jī)械振動、基于用戶關(guān)聯(lián)的大數(shù)據(jù)開展工況的劃分、識別和統(tǒng)計(jì)分析等[1]，都會因?yàn)檫@一基礎(chǔ)性決策的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的系列變化，因此，本文圍繞該問題開展較為系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究，以求夯實(shí)這一重要基礎(chǔ)性問題的決策基礎(chǔ)。

2 動力電池總成加速度的偽損傷和頻譜分析

以一款具有代表性的新能源純電動乘用車作為試驗(yàn)對象，在道路載荷數(shù)據(jù)采集和本文的全部數(shù)據(jù)分析過程中，采用整車坐標(biāo)系。如圖1所示（沿+Z方向的仰視圖），本文選擇貼裝在動力電池右側(cè)前段（通道名BAT-FR）、右側(cè)后段（通道名BAT-RR）和左側(cè)中段（通道名BAT-LM）的3處三向加速度傳感器采集數(shù)據(jù)并分析，其分布位置涵蓋了動力電池總成結(jié)構(gòu)的前段、中部和后段，以及左側(cè)和右側(cè)，因此可以比較全面地反映實(shí)際工況下動力電池總成所承受的機(jī)械振動。另外，在4個(gè)車輪的軸頭安裝三向加速度傳感器，以1 kHz的采樣率記錄道路載荷數(shù)據(jù)模擬信號。同時(shí)，分別采用5 Hz和50 Hz的采樣率記錄GPS和CAN總線的數(shù)據(jù)信息，包括經(jīng)緯度、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速等。

分別在城市路、高速路、水泥路和非鋪裝路4種不同的公共路面上正常行駛，車輛負(fù)載始終只有駕駛員和一名前排乘員，共采集148.2 km的樣本數(shù)據(jù)。本文基于該樣本數(shù)據(jù)分析各典型工況下行駛時(shí)動力電池總成所承受激勵(lì)載荷的特征。

2.1 偽損傷分析

采用TecWare軟件對車輛在4種不同公共路面上行駛時(shí)動力電池總成上3處加速度信號進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，然后采用Miner線性累積損傷假設(shè)計(jì)算偽損傷。計(jì)算時(shí)，取應(yīng)力幅值-疲勞壽命（S-N）曲線Basquin關(guān)系式N?Sb=C中的參數(shù)b=5，其中，C為材料常數(shù)。

動力電池右側(cè)前段沿3個(gè)方向加速度的偽損傷計(jì)算結(jié)果如圖2所示，其中橫軸是相對于3個(gè)方向累積偽損傷的最大值，以相對值表示的累積偽損傷，城市路、高速路、水泥路和非鋪裝路的Z向累積偽損傷分別為1.453 30×1021、5.974 04×1023、2.287 73×1022、1.467 82×1021。動力電池左側(cè)中段和右側(cè)后段三向加速度偽損傷計(jì)算結(jié)果所呈現(xiàn)的規(guī)律與圖2高度一致。可以看到，動力電池三向加速度偽損傷計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)如下共性規(guī)律和特點(diǎn)：車輛在城市路、高速路和非鋪裝路的公共路面上行駛時(shí)，垂向加速度累積形成的偽損傷占絕對主導(dǎo)地位；車輛在水泥路的公共路面上行駛時(shí)，由垂向、縱向加速度累積形成的偽損傷占絕對主導(dǎo)地位。從已有新能源汽車遠(yuǎn)程上傳的工況大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果看，車輛在城市路、高速路和非鋪裝路這3種道路類型上行駛的工況占比最大，因此可以得出結(jié)論：動力電池總成在實(shí)際使用過程中，垂向加速度累積形成的偽損傷占據(jù)主導(dǎo)地位。

從圖2c中可以看出，當(dāng)車輛行駛于水泥路面時(shí)，縱向加速度累積形成的偽損傷顯著提升，與垂向加速度累積形成的偽損傷較為接近。因此，除垂向加速度外，對動力電池總成縱向加速度也要給予一定的重視。

2.2 自功率譜密度函數(shù)分析和分頻段偽損傷分析

假設(shè)x（n）是以采樣率fs采集到的加速度信號的N個(gè)采樣點(diǎn)（n=0，1，…，N-1），則x（n）的離散傅里葉變換為[Xk=n=0N-1x（n） ·exp（-j2πkn/N）]，用[Xk]表示X（k）的共軛復(fù)數(shù)，則x（n）的自功率譜Sxx（k）為：

Sxx（k）=[Xk]·X（k） （1）

而x（n）的自功率譜密度函數(shù)（Power Spectral Density，PSD）為：

DPS=Sxx（k）/Δf （2）

式中：Δf=fs/N為頻域分析的頻率分辨率。

對動力電池總成加速度信號進(jìn)行自功率譜密度函數(shù)分析計(jì)算，過程中對時(shí)域信號施加漢寧窗（Hanning Window），采用50%的重疊和多次平均，分析結(jié)果的頻率分辨率為1 Hz。圖3和圖4所示分別為車輛在4種不同公共道路上行駛時(shí)，3處測點(diǎn)垂向加速度分量和縱向加速度分量的自功率譜密度函數(shù)結(jié)果。圖5和圖6所示分別為車輛在4種不同公共道路上行駛時(shí)，將3處測點(diǎn)垂向加速度分量和縱向加速度分量分頻段進(jìn)行帶通濾波和雨流計(jì)數(shù)，并計(jì)算偽損傷得到的結(jié)果。圖中縱軸是相對于各頻段累積偽損傷的最大值，以相對值表示的累積偽損傷。

由圖3可以看出，當(dāng)車輛在4種不同的公共路面上行駛時(shí)，動力電池總成垂向加速度的主能量成分集中在0～5 Hz的低頻段，峰值集中在2 Hz（城市路、高速路和非鋪裝路）和4 Hz（水泥路）處，尤其是車輛行駛于非鋪裝路面時(shí)，低頻能量的集中趨勢更為凸顯。對于動力電池總成的前部（見圖3a），在13 Hz處還出現(xiàn)一個(gè)峰值，但這并不能改變主能量成分集中于5 Hz以下的事實(shí)，而且13 Hz處的峰值只影響動力電池總成的前部。

動力電池垂向加速度的頻譜特征也反映在圖5所示的垂向加速度分頻段偽損傷計(jì)算結(jié)果上?？梢钥吹?，車輛在4種不同的公共路面上行駛時(shí)，動力電池垂向加速度累積形成的偽損傷主要由0～10 Hz的低頻成分累積形成。越靠近動力電池總成的中、后部，在低頻段累積形成的偽損傷在總偽損傷中的占比越大。在動力電池的前部，PSD在13 Hz處存在峰值，因此在10～20 Hz的頻段也累積了不可忽視的偽損傷，但累積形成偽損傷的主要頻段仍集中在更低的0～10 Hz頻段。

由圖4可以看出，當(dāng)車輛在4種不同的公共路面上行駛時(shí)，動力電池總成縱向加速度的PSD在0～5 Hz范圍內(nèi)也存在峰值，但與垂向加速度不同的是，縱向加速度的PSD在12 Hz和23 Hz附近還出現(xiàn)2個(gè)峰值，對應(yīng)動力電池總成所固定的底盤結(jié)構(gòu)的兩階模態(tài)。當(dāng)車輛行駛于水泥路和非鋪裝路面時(shí)，這2種較為顛簸的路面將相關(guān)的結(jié)構(gòu)模態(tài)充分激勵(lì)起來，使得動力電池總成縱向加速度的PSD在12～23 Hz范圍內(nèi)幾乎形成了一條連續(xù)的主能量帶，將一個(gè)窄帶隨機(jī)過程變?yōu)橐粋€(gè)寬帶隨機(jī)過程。這一頻譜特征也影響和反映在如圖6所示的動力總成縱向加速度分頻段偽損傷計(jì)算結(jié)果上。如前所述，只有當(dāng)車輛行駛于水泥路面時(shí)，動力電池縱向加速度累積形成的偽損傷才較為顯著，比較接近垂向加速度累積形成的偽損傷，因此，圖6中水泥路面的規(guī)律尤為重要，即動力電池縱向加速度累積形成的偽損傷主要集中于20～30 Hz的頻段（由底盤結(jié)構(gòu)在21 Hz附近的模態(tài)引起），10～20 Hz的頻段對偽損傷也具有不可忽視的貢獻(xiàn)（由底盤結(jié)構(gòu)在12 Hz附近的模態(tài)引起），0～10 Hz的低頻段及其他頻段的貢獻(xiàn)可以忽略。

3 動力電池總成機(jī)械振動的主要來源和傳遞路徑分析

如圖7所示，所選擇的新能源純電動乘用車通過前、后、左、右4個(gè)懸置將電驅(qū)總成（包含一個(gè)集成的定速比減速器）與車身（左、右懸置）和底盤前副車架（前、后懸置）連接。除了4個(gè)車輪通過懸架將來自路面的垂向激勵(lì)傳遞到動力電池總成外，電驅(qū)總成在工作過程中是否會將旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振能量經(jīng)由4個(gè)懸置、車身和副車架傳遞到動力電池，是一個(gè)需要研究分析的問題，這對于明確引起動力電池總成機(jī)械振動的主要激勵(lì)來源，并圍繞該主要激勵(lì)來源找出與其有密切聯(lián)系的工況維度是至關(guān)重要的。

為此，在城市路面和水泥路面上分別開展了如下試驗(yàn)：將車輛由靜止緩慢且均勻地加速到80 km/h（城市路）或60 km/h（水泥路），保持車速5～10 s后緩慢制動至停止，在此過程中仍以1 kHz的采樣率記錄上述動力電池的三向加速度，并以50 Hz的采樣率記錄CAN總線中的電機(jī)轉(zhuǎn)速?？紤]到經(jīng)過前文分析，動力電池總成機(jī)械振動的主要能量成分不超過50 Hz，因此，通過重采樣將加速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速采樣率均調(diào)整為200 Hz，然后采用Test.Lab軟件進(jìn)行階次分析，電機(jī)轉(zhuǎn)速每提高25 r/min做一個(gè)切片。

圖8和圖9所示分別為車輛在城市路面和水泥路面上行駛時(shí)，動力電池總成3處加速度縱向分量和垂向分量的階次分析結(jié)果。

由圖8可以看出，車輛在城市路面上行駛時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶來的階次特征較微弱。由圖8b、圖8d、圖8f可知，動力電池總成在4 Hz左右，由結(jié)構(gòu)共振（其特征為峰值連線垂直于橫軸）而非電機(jī)總成的轉(zhuǎn)動（其特征為傾斜的階次特征線）引起了垂向加速度峰值；由圖8a、圖8c、圖8e可知，動力電池總成縱向加速度在2 Hz左右的極低頻段，由結(jié)構(gòu)共振引起了縱向加速度峰值。垂向加速度和縱向加速度峰值均與圖3和圖4中車輛在城市路面行駛時(shí)加速度的PSD結(jié)果相互印證。

由圖9可以看出，車輛以接近相同的速度區(qū)間在更為顛簸的水泥路面上行駛時(shí)，相對于電驅(qū)總成的旋轉(zhuǎn)給動力電池總成帶來的機(jī)械振動，來自路面的垂向激勵(lì)給動力電池總成帶來的機(jī)械振動占據(jù)更為主導(dǎo)的地位，因?yàn)閯恿﹄姵乜偝傻拇瓜蚣铀俣群涂v向加速度的階次特征線均更加模糊，而結(jié)構(gòu)共振特征更加突出。如圖9b所示，車輛行駛于水泥路面時(shí)，動力電池右側(cè)前段垂向加速度除在5 Hz以下的低頻段出現(xiàn)一個(gè)共振峰外，在13 Hz處也形成一個(gè)共振峰，該結(jié)果與圖3a中水泥路面的PSD結(jié)果相互印證。

由圖8和圖9所示的階次分析結(jié)果可以初步得到如下結(jié)論：動力電池所承受的機(jī)械振動主要來自路面激勵(lì)，而非來自電機(jī)總成旋轉(zhuǎn)引起的激振；路面激勵(lì)通過懸架傳遞到動力電池總成，由于懸架對車輛簧上結(jié)構(gòu)（包括動力電池總成）的隔振作用，車輛在不同路面上行駛時(shí)傳遞到動力電池總成的垂向機(jī)械振動主能量成分集中在5 Hz以下的低頻段，而該頻段也成為對動力電池偽損傷貢獻(xiàn)最大的頻段，在動力電池總成振動耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，需要選取合適的試驗(yàn)臺架和控制技術(shù)對該頻段載荷進(jìn)行準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)。

對于作用在動力電池總成上機(jī)械振動載荷的來源和主要傳遞路徑，還需進(jìn)一步論證。將車輛在4種不同路面上行駛時(shí)采集到的全部148.2 km樣本數(shù)據(jù)，按照200 m的行駛里程進(jìn)行等分，共獲得741個(gè)小樣本數(shù)據(jù)。計(jì)算每個(gè)小樣本數(shù)據(jù)左前輪垂向加速度累積形成損傷的對數(shù)，以及動力電池總成各加速度沿各方向的分量累積形成損傷的對數(shù)。由741個(gè)小樣本數(shù)據(jù)計(jì)算得到左前輪軸頭垂向加速度累積形成損傷的對數(shù)與動力電池總成3處加速度各分量累積形成損傷的對數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，如表1所示，可以看出，二者呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，其中，左前輪軸頭垂向加速度累積形成損傷的對數(shù)與動力電池總成3處加速度垂向分量累積形成損傷的對數(shù)之間呈現(xiàn)高度相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上。

在圖8和圖9的階次分析基礎(chǔ)上，可以將表1所呈現(xiàn)的相關(guān)關(guān)系解讀為因果關(guān)系，即路面激勵(lì)導(dǎo)致了動力電池總成所承受的機(jī)械振動，4個(gè)懸置和底盤車架是二者之間的傳遞路徑，電驅(qū)總成的旋轉(zhuǎn)造成的激勵(lì)對動力電池總成機(jī)械振動的影響較小。

在明確了上述關(guān)系后，對動力電池總成所承受的機(jī)械振動進(jìn)行工況的劃分、識別和大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以及面向某一特定客戶群體的實(shí)際使用工況合理制定動力電池總成振動耐久性試驗(yàn)載荷譜時(shí)，即可明確與這一目標(biāo)和任務(wù)密切相關(guān)的工況維度。例如，依據(jù)道路類型（按照GB/T 7031或其他類別定義道路類型）和車速兩個(gè)維度，對行駛工況進(jìn)行二維的劃分、識別和統(tǒng)計(jì)，因?yàn)槁访娌黄蕉群蛙囁賹⒅苯佑绊戃囕v在行駛過程中所承受的垂向激勵(lì)的強(qiáng)弱[9]。此外，車輛的負(fù)載狀況也應(yīng)納入工況大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的范疇，以相同的車速在相同的道路上行駛時(shí)，車輛的負(fù)載將顯著影響車輛簧上結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)[1]。

4 動力電池總成機(jī)械振動的多軸激勵(lì)屬性

作用于動力電池總成的機(jī)械振動主要來自單一激振源還是多個(gè)激振源，是制定動力電池總成振動耐久性試驗(yàn)規(guī)范時(shí)需要認(rèn)真考慮的問題。為此，在4個(gè)車輪的軸頭安裝三向加速度傳感器，并在道路載荷數(shù)據(jù)采集的過程中記錄各傳感器沿3個(gè)方向的加速度信號，共12路信號。用xi（n）（i=1，…，12）表示這12路信號包含N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的一個(gè)數(shù)據(jù)塊，采用式（1）計(jì)算這12路信號各自的自功率譜[Sxixik]，類似地，計(jì)算這12路信號兩兩之間的互功率譜：

[Sxixjk=Xik?Xjk]， i≠j （3）

將這12路信號的自功率譜和互功率譜組成一個(gè)12階矩陣[[Sxixj]]，由于每個(gè)軸頭加速度傳感器測得的信號主要反映了所在車輪受到的道路激勵(lì)信息，但是也不可避免地?fù)诫s了其他3個(gè)車輪受到的道路激勵(lì)信息，因此，按照式（3）計(jì)算得到的互功率譜是不為零的，或者說矩陣[[Sxixj]]是一個(gè)非對角矩陣。

由于[[Sxixj]]具有共軛轉(zhuǎn)置對稱的屬性，因此，[[Sxixj]]是厄米（Hermite）矩陣[10]。依據(jù)線性代數(shù)理論[10]，厄米矩陣[[Sxixj]]一定酉相似于一個(gè)對角矩陣，即一定存在同階酉矩陣[U]，使得：

[Sx'ix'j=[U]-1[Sxixj][U]] （4）

式中：[Sx'ix'j]為一個(gè)對角矩陣，x['i]為與xi相對應(yīng)的一組振源。

由于[Sx'ix'j]是一個(gè)對角矩陣，也就意味著振源x['i]與x['j]（i≠j）之間的常相干系數(shù)[Sx'ix'jk2[Sx'ix'jk?Sx'ix'jk]]恒為零，即振源x['i]與x['j]（i≠j）獨(dú)立，或者說x['i]是一組與xi相對應(yīng)的獨(dú)立振源，稱為“虛擬振源”。

如果用yi（n）（i=1，2，3）表示動力電池總成右側(cè)前段、左側(cè)中段和右側(cè)后段3處三向加速度的垂向分量（共3路信號）的包含N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的一個(gè)數(shù)據(jù)塊，用Yi（k）表示yi（n）的離散傅里葉變換，用[Yik]表示Yi（k）的共軛復(fù)數(shù)，則在獲得這些相互獨(dú)立的虛擬振源后，可以定義和計(jì)算動力電池總成垂向加速度信號與虛擬振源之間的虛擬相干系數(shù)γ[′2i，j]：

[γ'2i，j=Syix'j2SyiyiSx'jx'j" （i=1，…，3;j=1，…，12）] （5）

這些虛擬相干系數(shù)反映了各動力電池總成垂向加速度與各虛擬振源之間的相關(guān)程度。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步定義和計(jì)算動力電池總成垂向加速度信號的虛擬相干自功率譜[Syiyi|x'j]：

[Syiyi|x'j=γ'2i，j?Syiyi（i=1，…，3;j=1，…，12）] （6）

虛擬相干自功率譜[Syiyi|x'j]反映了由獨(dú)立虛擬振源x['j]所引起的動力電池總成垂向加速度yi的自功率譜。將全部虛擬相干自功率譜累加得到[Syiyi∑]，有[Syiyi∑=j=112Syiyi|xj'=γ'2i，1+γ'2i，2+…+γ'2i，12?Syiyi]。由于[γ'2i，1+γ'2i，2+…+γ'2i，12]≤1，因此，[Syiyi∑]不會超過自功率譜[Syiyi]的數(shù)值，造成偏差的原因在于噪聲干擾、結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)以及存在未考慮的激勵(lì)源。

在Test.Lab軟件中進(jìn)行上述虛擬相干分析和虛擬自功率譜的計(jì)算，如圖10所示，獲得了動力電池總成3處垂向加速度的虛擬相干自功率譜分析結(jié)果。

從圖10中[Syiyi]和[Syiyi∑]的對比結(jié)果可以看出，由于從軸頭到動力電池總成的傳遞路徑上存在減振器、襯套等結(jié)構(gòu)引入的非線性，因此，[γ'2i，1+γ'2i，2+…+γ'2i，12]lt;1并導(dǎo)致[Syiyi∑lt;Syiyi]。觀察可知，[Syiyi]與[Syiyi∑]的形態(tài)一致性非常好，表現(xiàn)在峰谷值的高度一致性和整體走勢的高度一致性，因此，也證明了[Syiyi]和[Syiyi∑]之間的差異主要是由于結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)因素，而非其他未考慮的激勵(lì)源造成的，否則，[Syiyi∑]的整體走勢將不會跟隨[Syiyi]，整體形態(tài)上會出現(xiàn)大的背離，這也再次間接證明了動力電池總成機(jī)械振動的主要激勵(lì)源來自路面，而非電驅(qū)總成的旋轉(zhuǎn)或其他來源。

更為重要的是，從圖10中可以看出，動力電池總成所承受的垂向加速度來自于多個(gè)獨(dú)立的激振源，而非單個(gè)激振源。以動力電池總成右側(cè)前部為例，如圖10a所示，4個(gè)獨(dú)立振源分別在不同的頻段上對該處的垂向振動產(chǎn)生顯著的貢獻(xiàn)。由這4條曲線疊加形成的結(jié)果可以看出，這4個(gè)獨(dú)立的虛擬振源對動力電池總成右側(cè)前部的垂向振動形成了主要貢獻(xiàn)，其貢獻(xiàn)疊加已經(jīng)與[Syiyi∑]非常接近，也就是說，其余獨(dú)立虛擬振源對于此處垂向激勵(lì)的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。因此，動力電池總成右側(cè)前部的垂向激勵(lì)主要來自4個(gè)獨(dú)立的虛擬振源。類似地，如圖10b、圖10c所示，對于動力電池右側(cè)后部和左側(cè)中部，至少有3個(gè)獨(dú)立的激振源對這兩處的垂向加速度有顯著激勵(lì)作用。

綜上，動力電池總成所承受的機(jī)械振動是典型的多軸振動問題，在動力電池總成振動耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，需要選取合適的試驗(yàn)臺架和控制技術(shù)對此多軸振動問題進(jìn)行準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

面向動力電池總成所承受的機(jī)械振動選取適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)臺架和控制技術(shù)，并編制振動耐久性試驗(yàn)載荷譜的過程中，需要從幅值、頻率、相位和次序這4個(gè)方面[11]對動力電池總成所承受的機(jī)械振動進(jìn)行研究，并分析損傷的相似性。經(jīng)本文分析可知，新能源乘用車動力電池總成在真實(shí)的使用環(huán)境和工況中所承受的機(jī)械振動主要來源于路面激勵(lì)，機(jī)械振動主能量成分集中在5 Hz以下的低頻段，伴隨有較大的位移行程，且其所承受的垂向加速度來自3～4個(gè)主要的獨(dú)立激振源，因此，應(yīng)采用六自由度多軸模擬振動臺架開展乘用車動力電池總成振動耐久性試驗(yàn)，而不應(yīng)采用單軸電磁振動臺架。單軸電磁振動臺架的特點(diǎn)和優(yōu)勢是復(fù)現(xiàn)高頻（一般為5～2 000 Hz）、小位移載荷（一般不超過±15 mm），載荷來源于單一激振源。從本文展示的具有代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，乘用車動力電池總成在實(shí)際使用工況中所承受的載荷特征，恰恰處于單軸電磁振動臺架的加載盲區(qū)。與之相對應(yīng)，六自由度系統(tǒng)總成級道路模擬試驗(yàn)臺架非常適合復(fù)現(xiàn)低頻、大位移的振動載荷，另外，可以通過6個(gè)自由度復(fù)現(xiàn)多軸激勵(lì)載荷。

考慮到本文所選擇的新能源純電動乘用車動力電池總成、電驅(qū)總成的分布架構(gòu)，以及與底盤、車身的連接形式非常具有典型性，因此，上述結(jié)論對于新能源純電動乘用車具有一定的普適性。

以動力電池總成在典型的真實(shí)工況中所承受的振動加速度時(shí)域信號作為目標(biāo)譜，可通過雨流投影濾波（Rainflow Projected Filter）方法[11]對其進(jìn)行試驗(yàn)加速，再通過時(shí)域波形回放（Time Wave Replay，TWR）控制技術(shù)在六自由度振動臺架上加以復(fù)現(xiàn)，從而可以很好地從幅值、頻率、相位和次序4個(gè)方面確保試驗(yàn)載荷譜所復(fù)現(xiàn)損傷的相似性。

此外，當(dāng)面向某一特定客戶群體的實(shí)際使用工況定量討論合理制定動力電池總成六自由度多軸振動試驗(yàn)載荷譜時(shí)，本文厘清了與這一目標(biāo)和任務(wù)密切相關(guān)的工況維度，即須依據(jù)道路類型和車速兩個(gè)維度，對行駛工況進(jìn)行二維的劃分、識別和統(tǒng)計(jì)，也需將車輛的負(fù)載狀況納入工況大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)范疇。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年11月6日。

通信作者：李旭東（1979―），男，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)可靠性和結(jié)構(gòu)耐久性，lixudong08@126.com。

*基金項(xiàng)目：政府間國際科技創(chuàng)新合作項(xiàng)目（2022YFE0103100）；廣西科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2023AA06007）；中汽研天津檢驗(yàn)中心共性基礎(chǔ)技術(shù)研究項(xiàng)目（TJKY2224007）。