新能源汽車用動(dòng)力電池系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)研究

王 睿

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

由于汽車的發(fā)展比較迅速，新能源汽車的功能已得到普及。新能源汽車出現(xiàn)前期，我們要對(duì)汽車的使用期限以及其穩(wěn)定性等性能進(jìn)行相關(guān)的檢測以及評(píng)估。其中必不可少的一個(gè)操作過程就是在結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)中模擬動(dòng)力電池在新能源汽車行駛過程中的振動(dòng)情況。激振技術(shù)是在結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上準(zhǔn)確模擬動(dòng)力電池行駛過程的關(guān)鍵技術(shù)，它決定了試驗(yàn)臺(tái)道路振動(dòng)模擬的真實(shí)性和有效性。截至目前，我國的很大一部分高山動(dòng)力電池試驗(yàn)臺(tái)采用電動(dòng)激振，但其下限頻率高，波形失真嚴(yán)重，高頻幅度低。由于自身結(jié)構(gòu)原理的限制，普通電液伺服閥難以在其帶寬上取得大的突破，對(duì)振動(dòng)波形的控制更是難以實(shí)現(xiàn)，振動(dòng)頻率被局限在低區(qū)間之內(nèi)。在實(shí)際行駛中，車輛受到路面?zhèn)鱽淼牧?huì)隨著車速的變化而變化，這就是振動(dòng)的概念。到現(xiàn)在為止，新能源汽車的外形特點(diǎn)與其他傳統(tǒng)的車型還是相差甚遠(yuǎn)，盡管新能源車在行駛之中還是會(huì)有些許地振動(dòng)，長此以往，這種振動(dòng)勢必傳輸?shù)絼?dòng)力電池引起共振的效果，這會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的危險(xiǎn)問題。因此，為了保證新能源汽車的安全性以及可靠性，其良好的抗震性能必不可少。一般情況下，進(jìn)行比較合理的機(jī)械性設(shè)計(jì)對(duì)于新能源汽車有很大的幫助，能提升動(dòng)力電池的續(xù)航能力。

振動(dòng)試驗(yàn)是對(duì)于產(chǎn)品進(jìn)行檢測以及對(duì)其結(jié)構(gòu)功能和耐久性進(jìn)行檢驗(yàn)的一種長期有效的技術(shù)，原先的汽車主要部位都會(huì)經(jīng)過一定的測試，而且其測試的方法比較成熟。但是，電池系統(tǒng)的動(dòng)力電動(dòng)汽車其性能和功能比較復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)多樣。目前，還沒有一致的振動(dòng)測試方法和標(biāo)準(zhǔn)。純電動(dòng)汽車的主要核心配件便是動(dòng)力電池系統(tǒng)，其具有良好的可靠性能和平衡性能，這些性能決定著整車的性能。由于我國汽車配件的發(fā)展越來越迅速，因此一般原始的單向振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)不太適用，它的功能以及效果也受到了很大的質(zhì)疑。在單向振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)之中，僅僅只有一小部分進(jìn)行過試驗(yàn)，其余的沒有進(jìn)行過實(shí)質(zhì)性的試驗(yàn)。因此，很難評(píng)價(jià)試驗(yàn)和沒有過試驗(yàn)的參數(shù)，無法對(duì)于其振動(dòng)性能的參數(shù)得到一個(gè)完整的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)大多數(shù)是放置于車身的地板之下，其安裝的環(huán)境不好。動(dòng)力電池的主要媒介之一是電池盒，其對(duì)于動(dòng)力電池的安全性能起著一定的保護(hù)作用。近幾年來，鋁合金材料、碳纖維材料等材料雖然因其輕量化程度高而廣受歡迎，但是成本比較高，而且很難得到宣傳與推廣。截至目前，對(duì)于車身的材料選擇還是以金屬材料為主。所以，怎樣能夠?qū)τ谙潴w的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及材料的選擇進(jìn)行提高這是其主要的任務(wù)之一，也是大家廣為關(guān)注的一個(gè)問題。在此基礎(chǔ)上，文章對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池箱的設(shè)計(jì)展開了進(jìn)一步的研究。

振動(dòng)試驗(yàn)是一項(xiàng)對(duì)于新能源汽車及其他產(chǎn)品的很多功能以及耐久性進(jìn)行檢測的良好的方法。一般包含很多種試驗(yàn)，傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車主要零部件有對(duì)應(yīng)的研究方法，但是電池系統(tǒng)集各種性能于一體，結(jié)構(gòu)比較繁復(fù)，其所處的位置也不一樣。文章主要對(duì)國內(nèi)外新能源汽車的動(dòng)力電池系統(tǒng)的試驗(yàn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)測定，然后以某一款新能源汽車為例，對(duì)該系統(tǒng)做了具體的振動(dòng)試驗(yàn)，并對(duì)其測試的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了有關(guān)分析與總結(jié)。

1 振動(dòng)試驗(yàn)的背景情況及其技術(shù)實(shí)驗(yàn)

1.1 振動(dòng)

具體來說，物體一般以一個(gè)相對(duì)比較平衡的位置作為支點(diǎn)，繞其進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，將其稱之為振動(dòng)。振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品有以下的影響：首先，結(jié)構(gòu)的破損一般有產(chǎn)品之間、各個(gè)配件之間的破損、彎曲以及裂紋斷裂的情況等等；振動(dòng)干擾條件比較大的情況下，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不是特別的穩(wěn)定，不可靠，造成工作性能失靈的情況，更嚴(yán)重的會(huì)直接導(dǎo)致不能工作；一般產(chǎn)品的配件之間可能會(huì)連接不緊密，造成松動(dòng)等情況。

1.2 振動(dòng)試驗(yàn)

廣泛而言，我們將凡是與振動(dòng)相關(guān)的試驗(yàn)都叫做振動(dòng)性的試驗(yàn)。由于其目的不同，我們可以將其分為三個(gè)方面。按加載的性質(zhì)不同，將其分為以下幾個(gè)類型：正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、混合振動(dòng)。比如，隨機(jī)的疊加振動(dòng)以及正弦和正弦疊加的隨機(jī)振動(dòng)等等。一般而言，試件一開始的分析比較適合正弦的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)尾處的試驗(yàn)比較適用于隨機(jī)的振動(dòng)。其中，通過振動(dòng)臺(tái)上的加速度傳感器反應(yīng)的信號(hào)可以對(duì)其輸入與輸出情況進(jìn)行反饋，大部分情況之下，使用的是多點(diǎn)的控制措施，面對(duì)小臺(tái)面以及小的實(shí)驗(yàn)室部件也會(huì)使用單點(diǎn)的控制。因?yàn)檎駝?dòng)的參數(shù)不同，所以振動(dòng)試驗(yàn)的控制方法包含最大值的控制以及平均值的控制，還有最小值的控制等等。

1.3 振動(dòng)裝置

常需要用到的設(shè)備有電磁振動(dòng)臺(tái)、熱交換器以及各種其他的系統(tǒng)。在進(jìn)行比較綜合性的實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們一般將振動(dòng)的平面放置于環(huán)境艙之中，然后將兩個(gè)設(shè)備結(jié)合進(jìn)行密封處理。

2 電動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)和制作

一般情況下，振動(dòng)試驗(yàn)的夾具可以分為兩個(gè)類型，對(duì)于電池系統(tǒng)進(jìn)行模擬的時(shí)候會(huì)使其上升至頂部，然后吊著安裝在車身的下部，試驗(yàn)之前需要采用1g加速度在5～250Hz之間進(jìn)行正弦的掃頻，并且必須保證一階的共振頻率可以達(dá)到200Hz以上。

2.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過模擬新能源汽車的實(shí)際運(yùn)行過程，檢測電動(dòng)系統(tǒng)的各零部件強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及極限載荷。根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和分析就可以得到動(dòng)力電池系統(tǒng)的基本實(shí)際參數(shù)與理論參數(shù)之間的差值。結(jié)合動(dòng)力電池系統(tǒng)各零部件在振動(dòng)試驗(yàn)中的具體表現(xiàn)，可以得到影響其理論性能的關(guān)鍵要素。從消費(fèi)者的角度而言，本試驗(yàn)可以得到新能源汽車電力系統(tǒng)的具體使用環(huán)境及其使用方法，進(jìn)而提升使用者的使用體驗(yàn)。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性較強(qiáng)，所以嚴(yán)格按照試驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)使用設(shè)備能夠延長設(shè)備的使用壽命。對(duì)新能源汽車電動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方面而言，試驗(yàn)中所反應(yīng)出的動(dòng)力電池系統(tǒng)部分零件問題，可以為其優(yōu)化、改進(jìn)提供改革方案，對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)的生產(chǎn)和發(fā)展具有重要意義。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

主要測試設(shè)備有：環(huán)境箱、振動(dòng)臺(tái)、電子負(fù)載、CAN通信設(shè)備。其主要的功能如下：環(huán)境箱是對(duì)于溫度進(jìn)行掌握的，一般有一個(gè)溫度范圍即-40℃～80℃；振動(dòng)臺(tái)用于模擬整車行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)條件（SAE J2380）；電子負(fù)載用于蓄電池充放電；水冷器用于電池系統(tǒng)充放電過程中的熱管理；CAN通信設(shè)備主要用于與BMS的通訊，讀取和保存電池的主要參數(shù)。

2.4 試驗(yàn)步驟

首先，振動(dòng)試驗(yàn)開始前應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)所需用到的設(shè)備進(jìn)行檢查（夾具、振動(dòng)臺(tái)、環(huán)境箱等），確保試驗(yàn)過程順利的開展。其次，將試驗(yàn)試樣（動(dòng)力電池系統(tǒng)）以正常安裝方式固定在試驗(yàn)臺(tái)上，確保試驗(yàn)的安全性與準(zhǔn)確性。隨后啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，使其在5～250Hz的頻率范圍內(nèi)以1g加速度進(jìn)行循環(huán)掃描。在循環(huán)掃描過程中對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的外觀及緊固部位進(jìn)行單位時(shí)間的觀察與記錄。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行整理。

2.5 注意事項(xiàng)

由于振動(dòng)試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生的巨大噪聲，因此工作人員需要進(jìn)行防噪措施避免安全事故的發(fā)生。另外，在振動(dòng)設(shè)備工作時(shí)，切勿用手觸碰。

2.6 討論

為了使試驗(yàn)?zāi)軌蛉缙诘仨樌瓿?，我們需要在試?yàn)前期做一部分的準(zhǔn)備工作，對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的檢測以及管理。本篇文章對(duì)于可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)造成的影響因素以及試驗(yàn)中可能會(huì)遇到的問題做了進(jìn)一步的分析與討論。測試工具的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。為了做一個(gè)模擬性的試驗(yàn)，需要準(zhǔn)備一些模擬試驗(yàn)所需要的道具。在試驗(yàn)之前，需要對(duì)于工裝方面進(jìn)行掃頻，此外，在設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮樣品和工裝的重心以及振動(dòng)臺(tái)的重心。

對(duì)于控制需要進(jìn)行加速設(shè)置。在振動(dòng)的試驗(yàn)平臺(tái)上，依據(jù)試驗(yàn)的具體標(biāo)準(zhǔn)情況，對(duì)于其輸出與輸入的大小尺寸進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。一般情況下，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上會(huì)裝有兩到三個(gè)傳感器，并且振動(dòng)控制時(shí)的方法可以采用最大平均法以及最小值域的方法，這個(gè)試驗(yàn)主要是采用前者。如果想要使蓄電池的震動(dòng)情況得到實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理，需要對(duì)其內(nèi)部盡量多地設(shè)置振動(dòng)傳感器。

對(duì)于其性能進(jìn)行測試以及對(duì)于其安全性能進(jìn)行監(jiān)護(hù)功能。蓄電池是一個(gè)比較高級(jí)的系統(tǒng)，它所需的電壓比較高，其所需的能量也比較高，振動(dòng)熱循環(huán)這一試驗(yàn)速度比較高，而且試驗(yàn)過程之中對(duì)于其保護(hù)性能比較高。所以，第一步，主要是對(duì)于電池的主要參數(shù)進(jìn)行檢測，如果其主要的參數(shù)設(shè)置超過規(guī)定的參數(shù)，則不能正常工作。測試的系統(tǒng)可以隨時(shí)停止工作。此次試驗(yàn)的過程之中，其主要的操作步驟有：電池的管理系統(tǒng)與其通信的設(shè)備，可以對(duì)電池管理系統(tǒng)的錯(cuò)誤報(bào)告以及自動(dòng)實(shí)驗(yàn)停機(jī)的相互聯(lián)系進(jìn)行合理的實(shí)施。

選擇一臺(tái)合理的振動(dòng)臺(tái)對(duì)于試驗(yàn)所測的結(jié)果有很大的關(guān)系。對(duì)于其選擇的第一考量是需要其滿足實(shí)驗(yàn)的加速度，電池安裝過程中需按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行?；诖耍瑢?duì)于是否選用大、小的儀器對(duì)于結(jié)果的影響大或者小，具有不同的觀點(diǎn)。本文認(rèn)為，如果將設(shè)備控制精確一些，對(duì)試驗(yàn)所造成的影響不會(huì)太大。最重要的目的是保證上述三點(diǎn)在試驗(yàn)中能夠達(dá)到并滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 新能源汽車用動(dòng)力電池系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)綜述

截至目前，國內(nèi)外已發(fā)布了電動(dòng)汽車蓄電池系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。UN 38.3主要模擬鋰離子（危險(xiǎn)品）在運(yùn)輸過程中的振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)范。測試分為大電池（＞12kg）和小電池（＜12kg，單體或小電池）。振動(dòng)頻率為7～200Hz。X、Y、Z軸按照一定的加速度正弦掃掠。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，無高低溫和充放電要求；ISO124051用于規(guī)定電動(dòng)汽車鋰電池組合系統(tǒng)的試驗(yàn)程序，主要分為四類：一般試驗(yàn)、性能試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)和濫用試驗(yàn)。其中，振動(dòng)試驗(yàn)是一項(xiàng)可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目，主要模擬隨機(jī)振動(dòng)因道路不平和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)引起的故障和損壞。有兩種測試方法：大質(zhì)量（電池組或系統(tǒng)）和小質(zhì)量（電子設(shè)備零件或電池系統(tǒng)）。對(duì)于電池系統(tǒng)，測試頻率為200Hz，X、Y、Z三軸，每軸振動(dòng)測試時(shí)間為21個(gè)小時(shí)，隨著測試樣品的增加，測試時(shí)間縮短，有高低溫要求（-40℃～75℃）。

SAE J2380是用來模擬電動(dòng)汽車電池長期在道路上引起的振動(dòng)試驗(yàn)過程，從而能夠使得電池的抗震性能得到比較好的控制。在進(jìn)行這一試驗(yàn)的過程中，主要是對(duì)其電化學(xué)性能需要進(jìn)行相關(guān)的測試。在這一過程中，還需要設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于所規(guī)定的參數(shù)并沒有任何的變化，但是試驗(yàn)一般情況下需要按照振動(dòng)、溫度以及工況這三個(gè)主要的方面來進(jìn)行同時(shí)的測定，其設(shè)定的頻率是一個(gè)范圍值，一般在10～190Hz之間，分為三個(gè)平面，數(shù)學(xué)方法記為X、Y和Z軸?？蛇x擇正?；蛱娲鷾y試X、Y、Z三個(gè)軸，而且互相可以振動(dòng)一整天的時(shí)間。其所測樣品的數(shù)目可能會(huì)因其在產(chǎn)品的開發(fā)過程中有所不同，對(duì)溫度也有一定的要求，而且需要對(duì)其進(jìn)行充放電。

4 多軸振動(dòng)的試驗(yàn)概述

我國新能源汽車零件技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展。相比于傳統(tǒng)條件下的試驗(yàn)臺(tái)，它的環(huán)境被大多數(shù)操作者質(zhì)疑，主要是由于在單向的振動(dòng)試驗(yàn)過程之中，多點(diǎn)控制的試驗(yàn)法會(huì)導(dǎo)致比較大的試樣的一部分試驗(yàn)會(huì)過激，而另一部分會(huì)有所欠缺，對(duì)于其試驗(yàn)的過激與欠缺不會(huì)有太大的檢驗(yàn)參數(shù)。所以，沒有辦法對(duì)于其樣品在振動(dòng)的條件下進(jìn)行評(píng)判，也沒有這樣一個(gè)評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)。多自由度的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)以及該試驗(yàn)法可以很大程度上防止這種現(xiàn)象的發(fā)生。這是對(duì)比較大的試樣以及比較復(fù)雜的試樣進(jìn)行有效的試驗(yàn)所具備的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)施。對(duì)于驗(yàn)證試樣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

振動(dòng)平臺(tái)在空間之中含有6個(gè)自由度，這能夠滿足各種物體的運(yùn)動(dòng)需求。其中很多研究一直用到的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)有3個(gè)正交平移以及3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的6個(gè)自由度平臺(tái)，主要是采取空間上的各種并聯(lián)的功能，與串聯(lián)比較而言，該并聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，而且精確度高，對(duì)于其方向位置比較容易控制，但是它唯一的不足之處是不太靈活。

在其驅(qū)動(dòng)的過程之中，主要分為兩種：一種是電動(dòng)式，一種是電液式。電液式的振動(dòng)臺(tái)的頻率比較小，位移比較大，承載的功能比較強(qiáng)大，但是電動(dòng)式的頻率相比而言就比較低，力量大，移動(dòng)的距離不太大。在振動(dòng)臺(tái)的應(yīng)用過程之中，歐美國家是最早應(yīng)用的，這對(duì)于控制技術(shù)有著比較重要的作用，而且在其他領(lǐng)域上也有很大的發(fā)展空間。比如，美國的一家公司是主要提供設(shè)備以及檢測儀器的，不但對(duì)于在路面上的模擬試驗(yàn)中擁有高超技術(shù)，而且在業(yè)界擁有知名的振動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)。

5 結(jié)束語

截至目前，我國對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范原則不一致，因此還需要相關(guān)研究人員進(jìn)行進(jìn)一步的操作與研究。盡量能夠在制定振動(dòng)試驗(yàn)方法的同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)比較合適的試驗(yàn)方法，能夠保障試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和安全性。