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中汽研 | 电动汽车电池包振动条件关键问题研究

2020-03-21 14:13:44·  来源：电动学堂  
　
文章来源：《电动汽车电池包振动条件关键问题研究》引言车载动力电池是电动汽车的重要部件，电池包的耐振动性能直接决定了整车的安全性和使用寿命 ｡电动汽车在
文章来源：《电动汽车电池包振动条件关键问题研究》
 
引 言
 
车载动力电池是电动汽车的重要部件，电池包的耐振动性能直接决定了整车的安全性和使用寿命 ｡电动汽车在实际行驶过程中既可能行驶在平坦公路上，也可能遇到各种坏路，因此电池包受到的振动情况是随机的 ，台架振动条件是等效疲劳损伤条件下在台架上重复电池包在实车行驶过程中可能出现的振动效果，其目的是快速检验电池包在使用过程中的安全性，避免车辆使用过程中可能出现的故障和失效，危及车辆和乘客安全｡
电池包台架振动条件的合理性影响着车辆安全性和成本｡ISO 12405.3—2014､GB/ T 31467.3—2015 ､SAE J2380 采用随机振动条件，GB/ T 31467.3 (修订)—2017､ECE R100 及EVS¯GTR 的草案采用正弦扫频振动条件｡实际执行情况表明，上述随机振动条件偏强而正弦扫频振动条件偏弱｡究其原因，这些振动条件是由传统汽车相关标准转换过来，因此开发与真实反映实车道路载荷的台架振动条件是各企业关注的重点｡全国汽标委组织行业力量基于统一道路条件和数据处理规范，开发了新的振动条件，相关成果已写入«电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法» (GB/ T31485—2015)｡本文围绕电池包振动条件标准开发过程中的若干关键问题开展研究，给出了相关问题解决方法，有助于了解国标振动条件，同时可以作为各企业开发电池包振动条件企业规范的参考｡
 
1 数据采集与数据处理
为获得行业统一的参考标准，数据采集和分析都是基于统一的条件进行的｡所有车辆的采集是在交通运输部通州试验场进行的｡车辆所行驶的路线组合及车速､加载方式根据车型不同，依照通州汽车试验场汽车产品定型可靠性行驶试验规范(2000 版) (以下简称试验规范) 规定处理｡整个开发流程如图1 所示｡
 
1.1 传感器布置
传感器的布置位置对于数据采集的准确性至关重要｡首先，传感器应布置在靠近电池包固定点的车身上，对于有减振垫的电池包，传感器布置在减振垫固定点位置附近，这是由于台架振动条件复现的是电池包受到的振动激励，即路面通过轮胎传递到车身的振动而非电池包响应｡另外，除非特殊需要，传感器数量根据固定点数量确定，其要求与振动台多点控制法中传感器布置要求相一致｡其次，采样传感器采用三向加速度振动传感器，其量程和频率特性满足电池包振动条件采集需要，传感器固定根据实际情况确定，但需保证其三向与车辆方向一一对应，避免产生夹角，并准确记录传感器方向与加速度传感器振动方向关系，作为数据处理依据；再次，为避免车身电信号对传感器的干扰，传感器与车身需电气隔离，可采用带有专用隔离垫的振动传感器，或根据传感器厂家要求增加符合要求的绝缘垫，传感器在车身上的固定安装效果如图2 所示｡
 
图2 中，传感器的X､Y､Z 方向分别与车辆的Z､X､Y 方向一一对应，且无夹角，传感器与车身采用胶粘合，中间采用指定绝缘胶带实现电气隔离｡
1.2 数据处理与分析
1.2.1 数据抽取与重构
 
图3 为某传感器某振动方向实时信号，横轴为时间轴，纵轴为振动幅值｡可见，在各强化路之间过渡路面的振动幅值远小于强化路振动幅值，根据随机振动特点及MINER 线性累计损伤理论，仅抽取强化路振动信号｡同理，振动信号仅采集典型强化路条件下载荷，而不计入高速和普通公路下的载荷，即完成规范要求的强化路试验的电池包能够满足试验规范确定的整车行驶要求｡
多路传感器数据处理: 对于每个路面下多个传感器测得的振动信息，考虑最大振动存在的合理性，为安全性考虑选择具有最大RMS 值的那组数据作为该强化路段振动数据，所有这些强化路路段组合成车辆一个驾驶循环(一圈) 的振动数据｡2多圈数据处理: 试验中，每辆车沿规定驾驶循环运行3圈，对于3 圈的振动数据，理论上应该是接近的，为了剔除驾驶人差异和各种噪声带来的影响，取3 圈的振动平均值作为最终该车辆一圈的振动数据｡
行驶寿命历程振动数据: 基于试验规范，由一圈典型振动数据乘以规定的系数即可得到车辆在试验规范行驶寿命里程的振动数据｡试验规范对不同车辆根据其行驶寿命中强化路分布规律规定了不同的强化路形式循环，以达到规定的总强化路里程，如乘用车为714 个循环，物流车为416 个循环｡
多车型数据正规化: 试验共采集22 辆车有效样本数据，车型包括小客车､微型车､物流车､大客车，既有纯电动车也有混合动力汽车､插电式混合动力汽车和燃料电池电动汽车，车型具有较好的代表性｡经过数据分析，决定将振动条件分为乘用车和商用车分别处理，其中物流车考虑当前生产开发及使用实际情况，归入乘用车统一处理｡对于如此多车型数据正规化处理，考虑各车型实际性能差异性，且振动条件的开发目的为安全性，经综合考虑和行业广泛征求意见，采用各车各频率下PSD 谱平均值作为振动条件｡将振动时间确定为12h，乘用车与物流车Z 向各频率下功率谱密度(Power Spectrum Density，PSD) 最大值､平均值､中位值､最小值获得的振动谱的振动能量(Root Mean Square，RMS)分别是1.35g､0.64g､0.48g､0.21g，可见该平均值振动能量大于数据中值振动能量，振动条件可以满足大多数车型安全性要求｡
1.2.2 典型数据分析与处理
搓板路振动处理: 搓板路振动能量在整个振动路谱中占比相对较大，尤其是在Z 轴方向，不包含搓板路的振动能量可下降20% ~40%｡图4 为某车Z 向振动数据包含和不包含搓板路振动信号的频率对比｡
 
通州试验场强化路面中的搓板路为中度标准搓板路λ =580mm，波峰25mm，规定的行车速度为50km/ h，根据激振频率基频计算公式f = v / λ，可知搓板路激振频率基频为24Hz｡搓板路是窄带随机振动信号，能量集中在一个很小的频带范围内，根据试验规范，在50km/ h 的规定车速下，考虑各种情况导致的车速波动，该频率范围为22 ~ 24Hz，具有类似定频激励的特征｡最终搓板路激励被单独抽取出来作为定频激励，其他路面路谱作为随机激励｡
1.3 试验加速方法
振动条件的加速基于疲劳损耗累计等效的原则进行｡疲劳累积损伤理论的研究已经持续了数十年，研究成果众多 ，但Miner 线性累积损伤理论由于其形式简单，使用方便，且在多数情况下其寿命估算与试验结果有相当程度的吻合，是目前在工程上应用最为广泛的疲劳寿命预测方法 ，本研究基于MINER 法则进行加速｡
加速系数: 在MINER 法则中，一个重要的参数是加速系数，它决定了加速后试验强度，取决于不同材料的S-N曲线｡考虑电池包关键部件构成材料，并参考ISO DIS19453¯3 规范，采用常用加速老化系数较低的数值，即n =5.
台架振动时间: 在GB/ T 31467.3—2015 中规定各向振动时间为21h，而在国际标准的趋势中，各向振动时间为12h，基于疲劳损伤进行了分析和台架试验也验证了其合理性｡同一路谱振动条件压缩成T1 =12h 相比压缩成T2 =21h，振动能量增加量可以根据MINER 法则计算，如式(1)所示:
 
即台架振动时间调整前后，振动能量增加幅值不大(12%)｡各点处功率谱密度也可以据此转换，从而实现不同振动时间下振动条件转换｡
2 台架振动条件及验证
2.1 台架振动条件
RMS 等效拟合原则: 由于当前大多数振动台尚不具备高动态高精度响应特性，所获得振动频谱特性需要进行拟合或光顺处理，才能在振动台架上执行｡常见的拟合原则包括外包络拟合，下包络拟合､振动能量等效原则拟合，经综合考虑，拟合采用振动能量RMS 等效原则进行，即光顺后PSD 谱的RMS 值与原始PSD 曲线的RMS 值相等，同时需要注意的是，基于该原则我们可能会去掉一些PSD 的尖峰，但光顺后PSD 谱的主要频率峰值需要保留｡如图5 所示｡乘用车振动条件中Z 方向尽量保留了10 ~ 15Hz 峰值，此为来自路面和轮胎的响应频率范围，具有共性｡同时，拟合中尽量减少转折数，结果数据尽量选用常用频率点，并避免剧烈过渡和连续过渡｡
 
拟合前后RMS 计算方法: 我们知道对于PSD 谱来说，其振动能量RMS 为在一定的频率范围内对PSD 进行积分(近似的算法就是求面积)，然后将积分的结果开方，对于离散的PSD 来说可以将各频率下PSD 求和再开方，如式(2) 所示｡
 
拟合后的PSD 谱由多条线段依次连接构成，常见的已知数据为转折频率及该频率下PSD 值，而对于折线处各频率下PSD 值是未知的或者计算复杂，难以采用式(2) 计算拟合后PSD 谱的RMS 值｡对于拟合后的折线PSD 谱的振动能量可根据如下方法计算｡
首先计算线段斜率｡记折线两端点分别为(fi，PSDi )，(fj，PSDj)，在半对数坐标系下其斜率m 根据式(3)计算｡
 
式中log10 ､log2 分别表示以10 和2 为底求对数，OCT 表示2倍频程｡以GB/ T 31467.3—2015 中Z 轴振动条件为例，可求得上升段斜率为0.7918dB/ OCT，下降段斜率为¯5.6445dB/ OCT｡
其次，分别计算各部分面积｡将拟合后曲线按照折线段分别计算各部分面积，仍以GB/ T 31467.3—2015 中Z 轴振动条件为例，PSD 谱包含上升段PSD 谱面积A1，水平段PSD 谱面积A2､下降段PSD 谱面积A3 及折线段振动能量Grms，分别按照式(4) ~ 式(7) 计算｡
 
电池包台架振动条件: 基于前述方法选择有代表性的乘用车和物流车，包括EV 和PHEV，统一开展数据测试和处理，X､Y､Z 三个方向随机振动和定频振动条件见表1｡
 
2.2 试验验证
试验验证前需要首先对电池包进行有限元仿真分析以确定应变片粘贴位置，将应变片贴在最大应力点分布位置｡将粘贴应变片的电池包安装在振动台上，振动传感器布置在安装点附近(距离≤50mm)，采用多点平均法控制，按照开发的12h 台架振动条件按照Z 随机→Z 向定频→Y 随机→Y向定频→X 随机→X 向定频的顺序分别开展试验｡图6 为Z向随机振动过程中各应变片应变曲线｡
 
最大应变值出现在位置4，与仿真分析结果吻合，最大应变为ε =316.5，定频振动时Z 向最大应变幅值同样位于位置4，最大值ε = 116.19，根据公式计算应力σ = E × ε ×10 -6 ，其中E 为材料的杨氏弹性模量，可得振动过程中最大应变对应的最大应力为65.2MPa，远小于所用材料的屈服强度(420 ~520MPa)，可见新开发的压缩为12h 的台架振动条件对于该电池包设计来讲是安全的｡
3 结论
本文针对电池包安全标准中台架振动条件开发中若干关键问题开展研究，作为统一的振动条件应基于统一规范进行｡其中，传感器布置应尽量靠近电池包固定点处，考虑安全性因素，多路传感器信号应在各路段选取具有最大RMS值组成新的一圈坏路，并对多圈数据进行平均以减少驾驶人或偶发情况影响｡多车型数据处理应基于统计学规律，基于安全性考虑选择各频率下平均值｡搓板路的振动特征与其他路面振动特性不同，单独抽取做定频振动，其他路面振动做随机振动分析，此外在平顺处理中数据拟合应基于RMS 等效原则进行并保留典型峰值｡基于本文所述方法开发的振动条件已被国家相关电池包安全标准采纳，今后将作为强制要求｡本文研究方法可以作为各企业电池包振动条件企业标准制定的参考，推动电池包安全性的整体提升，本电动汽车电池包振动条件开发流程也可以作为电动汽车其他部件如电机和控制器等的台架振动条件开发依据｡
 
 
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