電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)開發(fā)

汪雙柱

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電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)開發(fā)

汪雙柱

（福建省汽車工業(yè)集團(tuán)云度新能源汽車股份有限公司，福建 莆田 351111）

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包振動(dòng)試驗(yàn)是電池包安全性能驗(yàn)證的重要部分。文章基于試驗(yàn)場采集的路譜數(shù)據(jù)和車輛道路試驗(yàn)規(guī)范，基于等損傷原則，計(jì)算合成動(dòng)力電池包加速振動(dòng)試驗(yàn)所需要的隨機(jī)目標(biāo)譜（PSD）。考慮到振動(dòng)試驗(yàn)臺的有效頻率限制，對目標(biāo)譜進(jìn)行優(yōu)化和簡化，得到了合理可用的振動(dòng)試驗(yàn)輸入PSD譜。

動(dòng)力電池包；隨機(jī)振動(dòng)；PSD；加速試驗(yàn)

前言

當(dāng)前，在國家的大力推動(dòng)之下，電動(dòng)汽車成為我國汽車工業(yè)發(fā)展的一大趨勢，各個(gè)汽車廠家都投入到電動(dòng)汽車的競爭當(dāng)中。動(dòng)力電池包作為電動(dòng)汽車的核心部件之一，其安全性能也是衡量電動(dòng)汽車產(chǎn)品競爭力的重要指標(biāo)，也是用戶關(guān)注的熱點(diǎn)之一。動(dòng)力電池包在車輛行駛過程中一直承受隨機(jī)振動(dòng)載荷，其振動(dòng)可靠性的驗(yàn)證是電池包安全性能驗(yàn)證的重要部分，一直是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)之一。

國內(nèi)普遍按照《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池安全要求》送審稿中的相關(guān)條款規(guī)定對動(dòng)力電池進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。該標(biāo)準(zhǔn)將代替GB/T 31467.3-2015，并升級成為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。部分車企除采用國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)外，還基于試驗(yàn)場或用戶路譜數(shù)據(jù)開發(fā)出相應(yīng)車型的電池包加速振動(dòng)試驗(yàn)方案，二者共同納入動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)劃（DVP），其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 國標(biāo)與基于路譜數(shù)據(jù)開發(fā)的振動(dòng)試驗(yàn)

本文利用試驗(yàn)場采集的道路載荷譜及車輛道路試驗(yàn)規(guī)范，對動(dòng)力電池包進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)和疲勞損傷譜分析；然后，基于等損傷原則，合成加速振動(dòng)試驗(yàn)所需要的隨機(jī)目標(biāo)譜（PSD），在不過度加速的原則下，檢驗(yàn)驗(yàn)證；最后，對隨機(jī)目標(biāo)譜進(jìn)行優(yōu)化和簡化，得到了合理可用的振動(dòng)試驗(yàn)輸入PSD譜。

1 路譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理

1.1 路譜數(shù)據(jù)的獲取

為了準(zhǔn)確得到動(dòng)力電池包目標(biāo)PSD譜，需要測量車輛在道路試驗(yàn)的各個(gè)路段中電池包與車身安裝點(diǎn)附近的加速度信號。然而，多數(shù)情況下，根據(jù)項(xiàng)目試驗(yàn)計(jì)劃，動(dòng)力電池包的振動(dòng)試驗(yàn)都要在首批試驗(yàn)樣車制作完成之前進(jìn)行。所以，試驗(yàn)工程師通常采用上一代車型或騾子車的相關(guān)路譜數(shù)據(jù)來進(jìn)行電池包隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)方案的開發(fā)。本文中就是采用某車型騾子車電池包安裝點(diǎn)附近的加速度信號來合成目標(biāo)PSD譜。

1.2 路段及循環(huán)次數(shù)定義

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

結(jié)合車輛試驗(yàn)場道路試驗(yàn)規(guī)范，對電池包需要經(jīng)歷的路段和各路段的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行定義，如表1所示。

表1 路段及循環(huán)次數(shù)

2 沖擊/極限響應(yīng)譜及疲勞損傷譜

2.1 沖擊響應(yīng)譜（SRS）的計(jì)算

圖2 沖擊響應(yīng)譜（SRS）計(jì)算

沖擊響應(yīng)譜（SRS）是輸入激勵(lì)（加速度）經(jīng)過多個(gè)固有頻率不同的單自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)濾波后，得到的最大響應(yīng)加速度或位移的總結(jié)果。它用來描述瞬時(shí)沖擊工況的最大響應(yīng)，是后續(xù)驗(yàn)證振動(dòng)試驗(yàn)加速是否得當(dāng)?shù)闹饕罁?jù)之一，各瞬時(shí)沖擊路段信號均計(jì)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(jì)算過程[2]如圖2所示。

2.2 極限響應(yīng)譜（ERS）的計(jì)算

極限響應(yīng)譜（ERS）描述常規(guī)振動(dòng)載荷的期望響應(yīng)，和SRS從本質(zhì)上來講提供的是相同的信息。ERS用來計(jì)算常規(guī)振動(dòng)路段的加速度響應(yīng)，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(jì)算公式由Miles提出，后經(jīng)Lalanne優(yōu)化推導(dǎo)得到[3]。

2.3 疲勞損傷譜（FDS）的計(jì)算

疲勞耐久試驗(yàn)的加速，包括振動(dòng)試驗(yàn)，都是基于等損傷的原則進(jìn)行的。對各個(gè)路段的加速度信號計(jì)算疲勞損傷，得到疲勞損傷譜（FDS）。

2.3.1常規(guī)振動(dòng)工況的FDS計(jì)算

Lalanne在前人工作的基礎(chǔ)上創(chuàng)造了一種直接從加速度PSD近似計(jì)算FDS的方法[4]，具體公式為：

公式（2）用來計(jì)算常規(guī)振動(dòng)工況的FDS，其輸入數(shù)據(jù)為1.2章節(jié)中所述轉(zhuǎn)換得到的PSD。

2.3.2瞬時(shí)沖擊工況的FDS計(jì)算

對于瞬態(tài)沖擊工況，F(xiàn)DS的計(jì)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(yīng)幅值，而是對濾波的結(jié)果進(jìn)行循環(huán)雨流計(jì)算，并采用W?hler的SN法來計(jì)算疲勞損傷。

3 隨機(jī)目標(biāo)譜的合成

3.1 總體目標(biāo)FDS、SRS和ERS的計(jì)算

圖3 總體目標(biāo)FDS、SRS和ERS的計(jì)算

加速振動(dòng)試驗(yàn)的PSD產(chǎn)生的損傷要求至少相當(dāng)于電池包在整個(gè)道路試驗(yàn)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(jù)本文1.2中所定義的循環(huán)次數(shù)將損傷量疊加起來，作為總的目標(biāo)FDS，如圖3所示。

而總體目標(biāo)SRS和ERS是將所有道路/工況中的SRS和ERS分別進(jìn)行封裝得到的，如圖3所示。這兩個(gè)目標(biāo)譜后續(xù)將用于輔助驗(yàn)證合成試驗(yàn)PSD的正確與否。

3.2 隨機(jī)目標(biāo)譜的合成與驗(yàn)證

對公式（2）進(jìn)行逆運(yùn)算，即可得到等效試驗(yàn)時(shí)間為T的合成目標(biāo)PSD譜[2]，如公式（3）所示：

式中：∑FDS(f)是總體目標(biāo)FDS，k是合成的安全因子。

合成PSD譜的ERS應(yīng)該與3.1章節(jié)中所得到的總體目標(biāo)ERS和SRS進(jìn)行比對驗(yàn)證。一般可以接受的情況是：合成ERS的均值大于總體目標(biāo)ERS的均值，小于總體目標(biāo)SRS均值。

至此，目標(biāo)PSD譜合成驗(yàn)證完成，總結(jié)其詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4 目標(biāo)PSD譜合成與比對驗(yàn)證

通過計(jì)算，取等效試驗(yàn)時(shí)間為12h，合成得到目標(biāo)PSD譜，如圖5所示。

圖5 合成目標(biāo)PSD譜

圖6 X向總體目標(biāo)FDS與合成FDS

以X方向?yàn)槔铣勺V的FDS與總體目標(biāo)FDS比較如圖6所示。需要指出的是，F(xiàn)DS中的損傷值并不是真實(shí)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(biāo)ERS和SRS比對，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)僅從圖上曲線并不能完全確定三者的大小關(guān)系。再計(jì)算三者的均值，如表2所示，可以看出，X、Y、Z三個(gè)方向的合成ERS均值均介于總體目標(biāo)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(biāo)ERS和SRS均值

4 合成隨機(jī)目標(biāo)譜的簡化

合成的目標(biāo)PSD譜要進(jìn)行簡化和優(yōu)化，一方面合成的PSD非常復(fù)雜，需要精簡；另一方面，國內(nèi)現(xiàn)用的大多數(shù)振動(dòng)試驗(yàn)臺的最低有效頻率是5Hz，而合成的PSD最低頻率接近0Hz，振動(dòng)臺無法實(shí)現(xiàn)，需要優(yōu)化。

圖8 試驗(yàn)PSD

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

5 結(jié)論

本文闡述了利用試驗(yàn)場采集的道路載荷譜和試驗(yàn)場道路試驗(yàn)規(guī)范，對動(dòng)力電池包進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)加速試驗(yàn)開發(fā)的方法，合成了加速隨機(jī)振動(dòng)譜（PSD），并進(jìn)行了驗(yàn)證和簡化。得到了合理可用的電池包隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)輸入目標(biāo)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(jī)振動(dòng)加速疲勞載荷譜編制方法研究[D].成都:西南交通大學(xué),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

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1671-7988(2019)10-32-04

汪雙柱，碩士學(xué)位，就職于福建省汽車工業(yè)集團(tuán)云度新能源汽車股份有限公司。