電動汽車動力電池包隨機振動試驗開發

汪雙柱

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電動汽車動力電池包隨機振動試驗開發

汪雙柱

（福建省汽車工業集團云度新能源汽車股份有限公司，福建 莆田 351111）

電動汽車動力電池包振動試驗是電池包安全性能驗證的重要部分。文章基于試驗場采集的路譜數據和車輛道路試驗規范，基于等損傷原則，計算合成動力電池包加速振動試驗所需要的隨機目標譜（PSD）。考慮到振動試驗臺的有效頻率限制，對目標譜進行優化和簡化，得到了合理可用的振動試驗輸入PSD譜。

動力電池包；隨機振動；PSD；加速試驗

前言

當前，在國家的大力推動之下，電動汽車成為我國汽車工業發展的一大趨勢，各個汽車廠家都投入到電動汽車的競爭當中。動力電池包作為電動汽車的核心部件之一，其安全性能也是衡量電動汽車產品競爭力的重要指標，也是用戶關注的熱點之一。動力電池包在車輛行駛過程中一直承受隨機振動載荷，其振動可靠性的驗證是電池包安全性能驗證的重要部分，一直是行業內關注的重點之一。

國內普遍按照《電動汽車用鋰離子動力電池安全要求》送審稿中的相關條款規定對動力電池進行振動試驗驗證。該標準將代替GB/T 31467.3-2015，并升級成為強制標準。部分車企除采用國家標準進行振動試驗外，還基于試驗場或用戶路譜數據開發出相應車型的電池包加速振動試驗方案，二者共同納入動力電池包設計驗證計劃（DVP），其相互關系如圖1所示。

圖1 國標與基于路譜數據開發的振動試驗

本文利用試驗場采集的道路載荷譜及車輛道路試驗規范，對動力電池包進行振動響應和疲勞損傷譜分析；然后，基于等損傷原則，合成加速振動試驗所需要的隨機目標譜（PSD），在不過度加速的原則下，檢驗驗證；最后，對隨機目標譜進行優化和簡化，得到了合理可用的振動試驗輸入PSD譜。

1 路譜數據的預處理

1.1 路譜數據的獲取

為了準確得到動力電池包目標PSD譜，需要測量車輛在道路試驗的各個路段中電池包與車身安裝點附近的加速度信號。然而，多數情況下，根據項目試驗計劃，動力電池包的振動試驗都要在首批試驗樣車制作完成之前進行。所以，試驗工程師通常采用上一代車型或騾子車的相關路譜數據來進行電池包隨機振動試驗方案的開發。本文中就是采用某車型騾子車電池包安裝點附近的加速度信號來合成目標PSD譜。

1.2 路段及循環次數定義

對獲取到的加速度信號按路段進行分段和初步濾波處理，消除趨勢項。初步查看，按工況類型將各個路段信號分為兩類：瞬時沖擊類和常規振動類。對于瞬時沖擊類信號，保留其時域信號。而對于常規振動類，則轉換為功率譜密度（PSD）。

結合車輛試驗場道路試驗規范，對電池包需要經歷的路段和各路段的循環次數進行定義，如表1所示。

表1 路段及循環次數

2 沖擊/極限響應譜及疲勞損傷譜

2.1 沖擊響應譜（SRS）的計算

圖2 沖擊響應譜（SRS）計算

沖擊響應譜（SRS）是輸入激勵（加速度）經過多個固有頻率不同的單自由度系統頻響函數濾波后，得到的最大響應加速度或位移的總結果。它用來描述瞬時沖擊工況的最大響應，是后續驗證振動試驗加速是否得當的主要依據之一，各瞬時沖擊路段信號均計算SRS備用。SRS由Biot第一次提出[1]，目前正被廣泛使用。其具體計算過程[2]如圖2所示。

2.2 極限響應譜（ERS）的計算

極限響應譜（ERS）描述常規振動載荷的期望響應，和SRS從本質上來講提供的是相同的信息。ERS用來計算常規振動路段的加速度響應，其輸入是各路段加速度信號的功率譜密度，具體公式為：

ERS的計算公式由Miles提出，后經Lalanne優化推導得到[3]。

2.3 疲勞損傷譜（FDS）的計算

疲勞耐久試驗的加速，包括振動試驗，都是基于等損傷的原則進行的。對各個路段的加速度信號計算疲勞損傷，得到疲勞損傷譜（FDS）。

2.3.1常規振動工況的FDS計算

Lalanne在前人工作的基礎上創造了一種直接從加速度PSD近似計算FDS的方法[4]，具體公式為：

公式（2）用來計算常規振動工況的FDS，其輸入數據為1.2章節中所述轉換得到的PSD。

2.3.2瞬時沖擊工況的FDS計算

對于瞬態沖擊工況，FDS的計算可以用和SRS類似的方法。不同之處在于，此處不再是簡單地尋找最大響應幅值，而是對濾波的結果進行循環雨流計算，并采用W?hler的SN法來計算疲勞損傷。

3 隨機目標譜的合成

3.1 總體目標FDS、SRS和ERS的計算

圖3 總體目標FDS、SRS和ERS的計算

加速振動試驗的PSD產生的損傷要求至少相當于電池包在整個道路試驗中所受到的同等損傷。這就在獲取各路段/工況的疲勞損傷譜后，根據本文1.2中所定義的循環次數將損傷量疊加起來，作為總的目標FDS，如圖3所示。

而總體目標SRS和ERS是將所有道路/工況中的SRS和ERS分別進行封裝得到的，如圖3所示。這兩個目標譜后續將用于輔助驗證合成試驗PSD的正確與否。

3.2 隨機目標譜的合成與驗證

對公式（2）進行逆運算，即可得到等效試驗時間為T的合成目標PSD譜[2]，如公式（3）所示：

式中：∑FDS(f)是總體目標FDS，k是合成的安全因子。

合成PSD譜的ERS應該與3.1章節中所得到的總體目標ERS和SRS進行比對驗證。一般可以接受的情況是：合成ERS的均值大于總體目標ERS的均值，小于總體目標SRS均值。

至此，目標PSD譜合成驗證完成，總結其詳細流程如圖4所示。

圖4 目標PSD譜合成與比對驗證

通過計算，取等效試驗時間為12h，合成得到目標PSD譜，如圖5所示。

圖5 合成目標PSD譜

圖6 X向總體目標FDS與合成FDS

以X方向為例，合成譜的FDS與總體目標FDS比較如圖6所示。需要指出的是，FDS中的損傷值并不是真實的損傷值，而是偽損傷，僅用于比對。

將合成PSD譜的ERS與總體目標ERS和SRS比對，如圖7所示，發現僅從圖上曲線并不能完全確定三者的大小關系。再計算三者的均值，如表2所示，可以看出，X、Y、Z三個方向的合成ERS均值均介于總體目標ERS和SRS之間，表明合成PSD譜加速效果比較合理。

表2 合成ERS與總體目標ERS和SRS均值

4 合成隨機目標譜的簡化

合成的目標PSD譜要進行簡化和優化，一方面合成的PSD非常復雜，需要精簡；另一方面，國內現用的大多數振動試驗臺的最低有效頻率是5Hz，而合成的PSD最低頻率接近0Hz，振動臺無法實現，需要優化。

圖8 試驗PSD

出于保守的考慮，通常選取合成PSD譜中的幾個極值點，然后連接形成試驗PSD譜，試驗PSD譜要基本包絡合成的PSD譜。對本文中合成的PSD進行簡化，形成試驗PSD如圖8所示。簡化后的PSD譜也要進行驗證，本文不再贅述。

5 結論

本文闡述了利用試驗場采集的道路載荷譜和試驗場道路試驗規范，對動力電池包進行隨機振動加速試驗開發的方法，合成了加速隨機振動譜（PSD），并進行了驗證和簡化。得到了合理可用的電池包隨機振動試驗輸入目標譜。

[1] Biot M.A. (1932), Transient oscillations in elastic systems, Thesis No. 259,Aeronautics Dept.,California Institute of Technology, Pasadena.

[2] 鐘響亮.多軸隨機振動加速疲勞載荷譜編制方法研究[D].成都:西南交通大學,2017.

[3] Lalanne C. (1978) Les Vibrations aleatoires,Cours ADERA.

[4] Lalanne C.(2002).Mechanical Vibration & Shock,Volume V. Hermes Penton Ltd. London.

Random Vibration Testing Development for Battery Packs Of EV

Wang Shuangzhu

( FJ MOTOR Group, YUDO New-Energy Automobile Co., Ltd., Fujian Putian 351111 )

The vibration test of battery packs of EV is very important for the safety verification of battery packs. In this paper, the accelerated random vibration test PSD of battery packs is calculated, which is based on the road load data collected from vehicle proving ground, the road test procedure, and the equivalent fatigue damage concept. Then, considering the frequency-limitation of vibration test-beds, the calculated PSD is optimized and simplified, and therefore the final vibration test PSD is obtained.

Battery packs of EV; Random vibration test; PSD; Test acceleration

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.012

U469.7

A

1671-7988(2019)10-32-04

U469.7

A

1671-7988(2019)10-32-04

汪雙柱，碩士學位，就職于福建省汽車工業集團云度新能源汽車股份有限公司。