混合動力客車超級電容系統(tǒng)振動失效研究

周時國， 彭能嶺， 賈劍飛

(鄭州宇通集團(tuán)有限公司， 鄭州 450061)

超級電容器以其充放電速度快、循環(huán)使用壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安全系數(shù)高等優(yōu)勢在混合動力客車中得到廣泛應(yīng)用[1-5]。采用超級電容的混合動力客車在實(shí)際使用中，隨著車輛運(yùn)營數(shù)量和里程的增加，已有少量超級電容模組開始出現(xiàn)失效，系統(tǒng)的可靠性問題逐漸顯現(xiàn)。本文以失效超級電容系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)其固定結(jié)構(gòu)及模組結(jié)構(gòu)展開失效模式分析，并提出設(shè)計改進(jìn)建議。

1 失效原因分析及驗(yàn)證

1.1 超級電容系統(tǒng)簡介

超級電容器作為混合動力客車的核心儲能部件，在車輛啟動、制動等過程中提供高功率的輸出與輸入，但因其比能量低、價格偏高，隨著鋰離子動力電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，超級電容器性價比優(yōu)勢已不明顯，混合動力客車的儲能部件正逐漸被鋰離子動力電池系統(tǒng)替代。

車用超級電容系統(tǒng)一般由超級電容模組、超級電容管理系統(tǒng)、模組固定支架、高壓連接及高壓保護(hù)裝置組成。超級電容模組規(guī)格一般為48 V/165 F，模組內(nèi)部由18只2.7 V/3 000 F雙電層超級電容單體串聯(lián)而成，模組配有單體電容電壓均衡部件?；旌蟿恿蛙囉贸夒娙菹到y(tǒng)多為貨架式安裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 超級電容模組安裝結(jié)構(gòu)及位置編號圖

1.2 失效模組統(tǒng)計

混合動力客車超級電容失效模式主要為：高壓連接部件燒蝕、電容模組漏液[6]、電容模組外殼擊穿、電容支架開裂等。本文對30個失效超級電容模組的安裝位置進(jìn)行了統(tǒng)計(安裝位置編號見圖1)，發(fā)現(xiàn)超級電容模組失效與安裝位置關(guān)聯(lián)度較高，位于電容支架上層的電容模組損壞率明顯高于中下層，具體見表1。

表1 失效模組數(shù)量統(tǒng)計表

1.3 系統(tǒng)仿真分析

由前述分析可知，同廠家同批次電容模組同樣存在上層損壞率高的現(xiàn)象，所以可以排除電容模組生產(chǎn)一致性的原因，初步分析可能為上層振動幅度過大導(dǎo)致電容模組失效。按超級電容模組的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)SAE J2380中的振動要求[7]，選取5g的振動加速度進(jìn)行仿真分析，X方向的共振點(diǎn)出現(xiàn)在22 Hz，Y方向的共振點(diǎn)出現(xiàn)在26 Hz，Z方向的共振點(diǎn)出現(xiàn)在68 Hz，如圖2所示；上層電容的最大位移為2.5 mm。超級電容系統(tǒng)X方向和Y方向的共振頻率均落在了車輛運(yùn)行時的低頻振動區(qū)間[8]，在極端的惡劣工況下，引起電容模組損壞的概率增大，因此需要對超級電容支架進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計，尤其是X方向和Y方向需提高共振頻率點(diǎn)，避開車輛的低頻振動區(qū)間。

1.4 臺架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

超級電容系統(tǒng)一般都安裝在混合動力客車尾部發(fā)動機(jī)上方的高壓艙內(nèi)，該位置與商用車分體式駕駛室所處環(huán)境相似，因此選用GB/T 28046.3—2011[9]第3部分：機(jī)械負(fù)荷中的4.2.1.8商用車分體式駕駛室振動標(biāo)準(zhǔn)作為本次測試的標(biāo)準(zhǔn)，振動設(shè)備采用蘇試DC-10000-100 型三綜合振動臺，對車輛右側(cè)上層3塊電容模組的支架進(jìn)行振動實(shí)驗(yàn)，每個軸向振動 32 h。

振動前以及每個軸向振動結(jié)束后記錄超級電容模組電壓，見表2。從表2可以看出，位于支架上層的13、14、15號電容模組電壓在X方向振動結(jié)束后已明顯偏低，全部振動結(jié)束后13號電容模組電壓已低于其他模組電壓2 V以上，說明振動使電容模組內(nèi)部造成損傷，自放電增大。于是對13號電容模組進(jìn)行拆解，拆解情況如圖3所示，可以看出，振動使電容模組內(nèi)的單體發(fā)生錯動，進(jìn)而引起模組內(nèi)導(dǎo)熱硅膠片移動變形，單體間導(dǎo)電連接片絕緣防護(hù)降低并通過模組外殼構(gòu)成自放電回路，使模組電壓降低。拆解還發(fā)現(xiàn)，模組內(nèi)單體的錯動導(dǎo)致相鄰兩列單體外包的絕緣保護(hù)套產(chǎn)生相互摩擦，保護(hù)套磨損也會引起單體自放電增大。

表2 振動測試模組電壓變化記錄表 V

圖3 失效電容模組拆解圖

2 改進(jìn)建議

按照機(jī)械振動理論[10]，系統(tǒng)的固有頻率f為：

(1)

式中：k和m分別為系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量，也就是系統(tǒng)的固有頻率僅取決于系統(tǒng)本身的剛度和質(zhì)量。

1)改進(jìn)方式一：減小單個電容貨架的質(zhì)量。將現(xiàn)有2個三層貨架變更為3個兩層貨架，使單個貨架質(zhì)量下降，固有頻率提高，上層電容模組振幅減小，可以避開車輛低頻振動區(qū)，改進(jìn)方式如圖4(a)所示。這種改進(jìn)方式從減小貨架高度和單個貨架電容質(zhì)量兩方面著手，雖然有效降低了上層電容的振動，但為滿足整車供電需求，取消的上層電容需要占用更多的整車面積，不實(shí)用。

2)改進(jìn)方式二：提高系統(tǒng)的剛度。對電容模組固定支架增強(qiáng)設(shè)計，支架型材壁厚增厚、支架增加三角筋加強(qiáng)、支架上層型材與整車骨架增加固定點(diǎn)或支架型材與整車骨架直接焊接的一體化設(shè)計均能提高系統(tǒng)的剛度，使系統(tǒng)的固有頻率提高，避開車輛的低頻振動區(qū)域，改進(jìn)方式如圖4(b)所示，可使超級電容系統(tǒng)X方向的振動結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，按5g的振動加速度再次進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，X方向的固有頻率從22 Hz提高到了32 Hz，Z方向的固有頻率從68 Hz提高到了73 Hz，上層電容模組的最大位移由2.5 mm減小到1.2 mm，但此種方式對Y方向的振動改善作用不明顯。所以Y方向需要采取將支架上層型材與整車骨架增加固定點(diǎn)的方式，提高整個系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而使X、Y、Z各方向的耐振動性同步提高。這種改進(jìn)方式適用于整車廠。

(a) 改進(jìn)方式一

3)改進(jìn)方式三：提高超級電容模組的耐振動性。針對混合動力客車及其運(yùn)行特點(diǎn)，將超級電容模組耐振動的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提高，在模組內(nèi)部增加超級電容單體固定和隔離設(shè)計，不使用導(dǎo)熱硅膠片作為單體電容的壓緊固定部件，這樣即使在極端惡劣工況下電容單體也不會因?yàn)閷?dǎo)熱硅膠片變形出現(xiàn)錯動，提高超級電容模組的振動可靠性。

3 結(jié)束語

因改進(jìn)方式一需增加整車布置面積，不滿足總布置要求，所以最終整車廠采用改進(jìn)方式二提高超級電容系統(tǒng)的耐振動性；而超級電容供應(yīng)商采用改進(jìn)方式三提高模組的耐振動性。雙方共同改進(jìn)后超級電容系統(tǒng)無類似失效模式發(fā)生。