車用動力蓄電池在強化道路振動下性能變化規律的研究

文/周曉冬 謝 歡

車用動力蓄電池在強化道路振動下性能變化規律的研究

文/周曉冬1謝 歡2

通過整車強化道路試驗和動力蓄電池振動強化試驗，考察振動對于車用動力蓄電池的性能變化影響；利用強化道路試驗數據，研究振動從路面到蓄電池的傳遞過程；對動力蓄電池振動前后的性能進行了分析研究。為動力蓄電池耐久性試驗研究提供參考。

強化振動 道路譜分析 動力蓄電池性能

電動汽車的研發對解決能源和環境污染問題具有重要的意義。動力蓄電池作為電動汽車的核心部件，對其性能的穩定性研究更是必不可少。

影響汽車運行過程中動力蓄電池性能的因素包括：動力系統的控制策略、電池本身的充放電性能、電池受振動時的結構可靠性等。其中，路面不平激勵引起的電池振動是其出現結構疲勞破壞甚至整體失效的重要原因。

本文通過強化道路試驗與動力蓄電池強化振動試驗，對動力蓄電池振動前后的性能進行具體的分析研究，以說明振動對車用動力蓄電池性能的具體影響以及性能隨振動時間的變化規律，為相關企業和檢測機構提供一些參考。

一、試驗方案

本次試驗通過道路模擬試驗獲得動力蓄電池的響應信號，將采集的整車振動道路信號進行預處理和迭代，將迭代得到的動力蓄電池強化振動試驗目標的振動信號導入到六通道MAST系統的計算機控制設備中，利用電子控制單元和伺服控制單元驅動試驗臺機械執行機構激勵動力蓄電池進行強化振動試驗。本次試驗進行190 h的強化振動試驗，其當量運行里程約2.66×105km。

二、強化道路譜分析

為了將采集到的強化道路應用于類似車型的強化振動試驗中，以進一步節省試驗成本、減小試驗周期，對車輛的強化道路振動譜進行分析，總結其頻域和強度特征顯得尤為重要。

利用強化道路試驗數據對路面激勵、軸頭及蓄電池響應振動特征進行總結，并研究振動從路面到蓄電池的傳遞過程，為動力蓄電池耐久性試驗研究提供機械振動特征方面的支持。

1. 路面激勵特征

將由原始道路響應譜迭代而來的試驗臺激勵信號近似代替道路實際激勵信號。由于試驗中響應信號都是通過加速度傳感器測得的，為了更準確地對比激勵和響應信號的特征，需要將位移激勵信號轉化為加速度信號（見圖1、表1）。

圖1 路面激勵加速度信號時域及頻域信號

表1 路面激勵加速度信號時域特征統計 g

表2 路面激勵加速度信號頻域特征分析

由路面激勵的時域分析（見表2）可以看出，四輪路面激勵加速度隨時間的變化規律并不完全一致，而且激勵幅值有較大差異。其中，右邊車輪遠大于左邊車輛，而且前后車輪激勵強度也不一致。從頻域分析來看，路面激勵信號加速度功率譜的頻率范圍約為0.125～34.91 Hz。加速度功率譜密度的幅值范圍約為2 ×10-3～300 m2/s-3，符合強化道路的路面特征。強化道路條件下，四個車輪受到的路面激勵頻率范圍相同，并且幅值隨頻率的變換趨勢相同，而各個頻率下的激勵幅值略有差別。以上均符合實際道路的特征且真實性較高。

2. 軸頭響應特征

試驗時采集了四輪軸頭位置的加速度響應信號，下面對其進行時域和頻域特征分析（見圖2、表3、表4）。

圖2 軸頭響應加速度信號時域及頻域信號

表3 軸頭響應加速度信號時域特征分析 g

表4 軸頭響應加速度信號頻域特征分析

由表3、表4中可以看出，四個軸頭響應信號時域特征與前述的路面位移激勵的時域特征相似，各軸頭響應的最大值、最小值、均值和標準差等都很相似，說明強化道路下軸頭響應振動整體特征相同，路面激勵經過輪胎的過濾后產生了較一致的響應。由軸頭響應的功率譜密度曲線圖2可知，軸頭振動的頻率范圍是0.5～35 Hz，與路面激勵頻率范圍相同。但軸頭響應的中心頻率范圍（幅值大于0.05g2?s）約為5～28 Hz。因此，輪胎濾過了部分路面激勵，縮小了振動頻率范圍減小。四個軸頭響應振動在頻率和強度方面的相互差別相對路面激勵都有很大的減小，保持了車輛不同位置的振動平衡性，有利于減小車廂的前后左右晃動，提高乘坐舒適性。

3. 動力蓄電池響應特征

由于四輪激勵存在這種并不等同于理想路面的差異，布置在車輛底盤上的各關鍵零部件存在X、Y、Z三個方向的振動輸入，這點是不同于整車振動的。因此，需要在動力蓄電池Z、X、Y三個方向分別取測點的響應信號分析其振動特征。

圖3 動力蓄電池響應加速度時域及頻域信號

表5 動力蓄電池響應加速度信號時域特征分析 g

表6 動力蓄電池響應加速度信號頻域特征分析

由以上圖3、表5、表6看出，動力蓄電池三個方向的響應時域特征互不相同。其中，Z向響應振動強度最大，X向最小。除了振動強度有差異外，各向振動隨時間的變化規律比較一致，說明強化道路條件下，動力蓄電池的各向振動是同時產生的。頻域方面，動力蓄電池各向振動的頻率范圍相同，都是0.5～20.3 Hz，但是峰值頻率互不相同。同時，三個方向響應振動的功率譜密度幅值也是Z向最大、X向最小，與時域特征一致。

4. 道路振動傳遞過程

① 頻域變化過程。從路面激勵到軸頭響應，再到蓄電池響應的頻率范圍和中心頻率都有較大的變化（見表7）。從該表可知，道路振動從路面到蓄電池的傳遞過程中，其高頻振動逐漸受到抑制，頻率范圍也逐漸縮小。同時，主要振動頻率也從寬到窄，振動的頻率特征也越來越明顯。動力蓄電池響應振動峰值頻率較多，且較為分散，振動特征也較為復雜。

表7 振動頻率變化表

② 振動強度變化過程。強化道路條件下，振動的強度是一個逐級衰減的過程。從路面到軸頭的最大加速度由53g減小到28.9g，衰減了約45%，加速度均方根值從4.53g減小到4.1g，衰減了9.5%。從軸頭到蓄電池，最大加速度由28.9g減小到2.71g，衰減率為90.6%，加速度均方根值由4.1g減小到0.21g，衰減了94.9%。由此可知，從路面到軸頭的振動強度衰減較小，輪胎主要起到了頻率過濾作用。軸頭到蓄電池經過了懸架、彈性車架等結構，其振動衰減程度很大，蓄電池響應振動相對于軸頭幾乎可以忽略不計。

三、振動前后動力蓄電池性能變化

1. 動力蓄電池振動總體情況

動力蓄電池振動強化試驗當量行駛總里程約為2.66×10-5km，蓄電池的外殼、安裝支架無明顯的變形、裂紋和破壞，蓄電池內部的電器元件結構完整，線纜連接無松動和破壞。

① 容量變化規律。動力蓄電池容量測試主要根據QC/T 743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》中規定的方法進行：

蓄電池充電：在一定的溫度下，蓄電池以3 h率放電電流（I3）放電，至蓄電池電壓達到放電終止電壓是停止放電，靜置1 h，然后在同樣的條件下以I3恒流充電，至蓄電池電壓達到充電終止電壓是轉為恒壓充電，至充電電流降至0.1I3時停止充電。充電后靜置1 h。

蓄電池以I3電流放電，直至放電終止電壓。

用I3的電流值和放電時間數據計算容量，如公式（1）所示。

式中：C——蓄電池容量，Ah；

If——恒定放電電流，A；

T——放電時間，h。

蓄電池共振動190 h，振動過程中每隔20 h進行一次性能測試，主要測量其容量和內阻的變化，以考察振動對蓄電池性能的影響。蓄電池組的理論電壓范圍為288～403.2 V，理論容量為8 Ah。為確保蓄電池組的正常工作和使用壽命，考慮到內阻和試驗誤差的影響，實際測試時蓄電池組的荷電狀態（SOC）控制在30%～70%，對應電壓為360～392 V。由試驗數據估算出其實際容量在5.5～6 Ah左右。由此，我們得出了蓄電池容量和振動時間的關系：

圖4 蓄電池組容量隨振動時間的關系

由圖4可以看出，隨著振動時間的增加，動力蓄電池的容量隨之減小。在振動初期（40 h以內），動力蓄電池容量下降速度較快，在振動40 h以后，容量衰減速度減慢，振動時間在40～100 h這段時間內容量變化基本趨于穩定。當振動時間超過120 h后，其容量又有了明顯的下降趨勢。

② 內阻變化規律。蓄電池內阻的測量是一個比較復雜的問題。目前，測量蓄電池內阻的方法主要有兩種：直流放電法和交流注入法。為了測量結果簡便，采用美國先進電池聯合會USABC中規定的方法：

由于充放電電流對于內阻也有影響，因此我們試驗時選取3種不同的充放電電流，考察其內阻的變化。最后計算得出的內阻詳見圖5：

圖5 蓄電池內阻和振動時間的關系

從圖5中可以看出，隨著振動時間的增加蓄電池組的內阻呈下降趨勢，且在振動的初期這種下降趨勢比較明顯（40 h以內），在40～100 h這段時間內，動力蓄電池內阻基本趨于平穩，但在振動時間超過120 h后內阻有了一個明顯的上升趨勢，在振動150 h后內阻又趨于平穩。

從圖5中還可以看出，當放電電流為1C時，其內阻要大于0.5C和6C時的內阻值，放電電流為0.5C的內阻值最小。

四、總 結

通過此次強化振動試驗，獲得了動力蓄電池強化振動譜。提取了路面激勵、軸頭響應、蓄電池響應振動譜的特征，并分析了振動頻率及強度的變化過程，為蓄電池耐久性研究提供了機械振動方面的支持。對于動力蓄電池，經過190 h的臺架強化振動后可見，振動對動力蓄電池的容量和內阻都有重要影響，這也從另一方面說明振動對動力蓄電池的壽命也有重要影響。

The article studies the impact of vibration to vehicle traction battery performance change through intensified road test of whole vehicle and intensified vibration test of the traction battery. This paper uses the intensified road test data to study the transmission of vibration from road to the traction battery, analyzes the performance of the traction battery before and after vibration, and provides some reference for the durability study on the traction battery.

Intensif i ed vibration; Road spectrum analysis; Performance of traction battery

（作者單位：1同濟大學2國家機動車產品質量監督檢驗中心（上海））