新能源乘用車動力電池總成振動耐久性試驗方法研究

【摘要】為在乘用車動力電池總成振動耐久性驗證試驗中準確復現其在真實使用環境中所承受的機械振動，針對試驗臺架的選擇問題，開展了試驗研究和系統分析論證，證明了動力電池總成所承受的機械振動主要來源于路面激勵，經懸架傳遞至動力電池總成的機械振動主要在垂向累積形成偽損傷，且主要由5 Hz以下的低頻信號累積形成，并通過虛擬相干自功率譜分析證明了動力電池總成所承受的機械振動來自多個獨立的激振源，是典型的多軸振動問題。研究結果表明，應采用六自由度多軸模擬振動臺架開展乘用車動力電池總成振動耐久性試驗。

關鍵詞：動力電池總成 機械振動 試驗方法 偽損傷 多軸振動

中圖分類號：U467.5" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230483

Investigation on Vibration Durability Testing Method of Power Battery Assembly of New Energy Passenger Car

Liang Rongliang1，2， Li Xudong2， Kang Dawei3， Zhou Mingyue2， Zhan Yongxiao2

（1. Tianjin University， Tianjin 300072; 2. CATARC Automotive Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300300; 3. Deepal Automotive Technology Co.， Ltd.， Chongqing 400020）

【Abstract】Focusing on the question of which test rig should be selected in vibration durability test of power battery assembly of passenger car to accurately reproduce the mechanical vibration it borne in real environment， experimental research and systematic analysis and demonstration are carried out. It is proved that the mechanical vibration borne by power battery assembly mainly came from road excitation and the mechanical vibration transmitted to power battery assembly through suspensions mainly resulted in vertical pseudo damage， which is mainly accumulated by low-frequency signals below 5 Hz. Through the analysis of virtual coherent auto-power， it is proved that the mechanical vibration of power battery assembly came from multiple independent excitation sources， which is a typical multiaxial vibration problem. Finally， it is concluded that the 6 DOF vibration test bench should be used to carry out the vibration durability test of power battery assembly of passenger car.

Key words： Power battery assembly， Mechanical vibration， Test method， Pseudo damage， Multiaxial vibration

【引用格式】 梁榮亮， 李旭東， 康大為， 等. 新能源乘用車動力電池總成振動耐久性試驗方法研究[J]. 汽車工程師， 2025（1）： 10-19.

LIANG R L， LI X D， KANG D W， et al. Investigation on Vibration Durability Testing Method of Power Battery Assembly of New Energy Passenger Car[J]. Automotive Engineer， 2025（1）： 10-19.

1 前言

動力電池總成是電動汽車最重要的子系統之一，其耐久性和可靠性關乎車輛的使用安全性。車輛的使用環境和工況類型多樣[1]，在整個生命周期內，動力電池總成會暴露在復雜的機械振動環境中，因此，在試驗室環境下如何選擇合適的試驗臺架準確復現動力電池總成在整車和真實環境中所承受的機械振動，以考核其耐久性和可靠性，以及機械振動對動力電池各項性能的影響，是一個非常關鍵的問題。

Hooper和Marco關注到典型新能源車輛動力電池總成所承受機械振動的頻譜特征與既有試驗規范（SAE J2380）中的載荷譜特征存在明顯的區別[2]，基于頻域疲勞加速試驗理論建立了單軸電磁振動臺架的試驗規范[3]，并開展了鎳錳鈷（NMC）氧化物鋰電池[4]和鎳鈷鋁（NCA）氧化物鋰電池[5]在振動耐久性試驗中的性能測試對比研究，最后，改用六自由度振動臺架作為振動耐久性試驗平臺[6]，對NCA氧化物鋰電池開展了性能測試對比研究。符興鋒等[7]參照GB/T 31467.3的要求，對動力電池總成進行了振動疲勞分析，楊洪宇等[8]對動力電池總成在六自由度振動臺架上的振動測試開展了仿真分析。

總體來看，國外研究團隊對采用哪種試驗臺架準確復現動力電池總成所承受的機械振動進行了漸進式探索，國內目前研究還不充分，存在爭論。

由于試驗臺架選型是重要的基礎性決策問題，后續載荷譜的采集、編制和試驗加速方法，以及圍繞動力電池總成所承受機械振動、基于用戶關聯的大數據開展工況的劃分、識別和統計分析等[1]，都會因為這一基礎性決策的不同而產生相應的系列變化，因此，本文圍繞該問題開展較為系統的試驗數據分析研究，以求夯實這一重要基礎性問題的決策基礎。

2 動力電池總成加速度的偽損傷和頻譜分析

以一款具有代表性的新能源純電動乘用車作為試驗對象，在道路載荷數據采集和本文的全部數據分析過程中，采用整車坐標系。如圖1所示（沿+Z方向的仰視圖），本文選擇貼裝在動力電池右側前段（通道名BAT-FR）、右側后段（通道名BAT-RR）和左側中段（通道名BAT-LM）的3處三向加速度傳感器采集數據并分析，其分布位置涵蓋了動力電池總成結構的前段、中部和后段，以及左側和右側，因此可以比較全面地反映實際工況下動力電池總成所承受的機械振動。另外，在4個車輪的軸頭安裝三向加速度傳感器，以1 kHz的采樣率記錄道路載荷數據模擬信號。同時，分別采用5 Hz和50 Hz的采樣率記錄GPS和CAN總線的數據信息，包括經緯度、車速、電機轉速等。

分別在城市路、高速路、水泥路和非鋪裝路4種不同的公共路面上正常行駛，車輛負載始終只有駕駛員和一名前排乘員，共采集148.2 km的樣本數據。本文基于該樣本數據分析各典型工況下行駛時動力電池總成所承受激勵載荷的特征。

2.1 偽損傷分析

采用TecWare軟件對車輛在4種不同公共路面上行駛時動力電池總成上3處加速度信號進行雨流計數，然后采用Miner線性累積損傷假設計算偽損傷。計算時，取應力幅值-疲勞壽命（S-N）曲線Basquin關系式N?Sb=C中的參數b=5，其中，C為材料常數。

動力電池右側前段沿3個方向加速度的偽損傷計算結果如圖2所示，其中橫軸是相對于3個方向累積偽損傷的最大值，以相對值表示的累積偽損傷，城市路、高速路、水泥路和非鋪裝路的Z向累積偽損傷分別為1.453 30×1021、5.974 04×1023、2.287 73×1022、1.467 82×1021。動力電池左側中段和右側后段三向加速度偽損傷計算結果所呈現的規律與圖2高度一致。可以看到，動力電池三向加速度偽損傷計算結果呈現如下共性規律和特點：車輛在城市路、高速路和非鋪裝路的公共路面上行駛時，垂向加速度累積形成的偽損傷占絕對主導地位；車輛在水泥路的公共路面上行駛時，由垂向、縱向加速度累積形成的偽損傷占絕對主導地位。從已有新能源汽車遠程上傳的工況大數據統計分析結果看，車輛在城市路、高速路和非鋪裝路這3種道路類型上行駛的工況占比最大，因此可以得出結論：動力電池總成在實際使用過程中，垂向加速度累積形成的偽損傷占據主導地位。

從圖2c中可以看出，當車輛行駛于水泥路面時，縱向加速度累積形成的偽損傷顯著提升，與垂向加速度累積形成的偽損傷較為接近。因此，除垂向加速度外，對動力電池總成縱向加速度也要給予一定的重視。

2.2 自功率譜密度函數分析和分頻段偽損傷分析

假設x（n）是以采樣率fs采集到的加速度信號的N個采樣點（n=0，1，…，N-1），則x（n）的離散傅里葉變換為[Xk=n=0N-1x（n） ·exp（-j2πkn/N）]，用[Xk]表示X（k）的共軛復數，則x（n）的自功率譜Sxx（k）為：

Sxx（k）=[Xk]·X（k） （1）

而x（n）的自功率譜密度函數（Power Spectral Density，PSD）為：

DPS=Sxx（k）/Δf （2）

式中：Δf=fs/N為頻域分析的頻率分辨率。

對動力電池總成加速度信號進行自功率譜密度函數分析計算，過程中對時域信號施加漢寧窗（Hanning Window），采用50%的重疊和多次平均，分析結果的頻率分辨率為1 Hz。圖3和圖4所示分別為車輛在4種不同公共道路上行駛時，3處測點垂向加速度分量和縱向加速度分量的自功率譜密度函數結果。圖5和圖6所示分別為車輛在4種不同公共道路上行駛時，將3處測點垂向加速度分量和縱向加速度分量分頻段進行帶通濾波和雨流計數，并計算偽損傷得到的結果。圖中縱軸是相對于各頻段累積偽損傷的最大值，以相對值表示的累積偽損傷。

由圖3可以看出，當車輛在4種不同的公共路面上行駛時，動力電池總成垂向加速度的主能量成分集中在0～5 Hz的低頻段，峰值集中在2 Hz（城市路、高速路和非鋪裝路）和4 Hz（水泥路）處，尤其是車輛行駛于非鋪裝路面時，低頻能量的集中趨勢更為凸顯。對于動力電池總成的前部（見圖3a），在13 Hz處還出現一個峰值，但這并不能改變主能量成分集中于5 Hz以下的事實，而且13 Hz處的峰值只影響動力電池總成的前部。

動力電池垂向加速度的頻譜特征也反映在圖5所示的垂向加速度分頻段偽損傷計算結果上。可以看到，車輛在4種不同的公共路面上行駛時，動力電池垂向加速度累積形成的偽損傷主要由0～10 Hz的低頻成分累積形成。越靠近動力電池總成的中、后部，在低頻段累積形成的偽損傷在總偽損傷中的占比越大。在動力電池的前部，PSD在13 Hz處存在峰值，因此在10～20 Hz的頻段也累積了不可忽視的偽損傷，但累積形成偽損傷的主要頻段仍集中在更低的0～10 Hz頻段。

由圖4可以看出，當車輛在4種不同的公共路面上行駛時，動力電池總成縱向加速度的PSD在0～5 Hz范圍內也存在峰值，但與垂向加速度不同的是，縱向加速度的PSD在12 Hz和23 Hz附近還出現2個峰值，對應動力電池總成所固定的底盤結構的兩階模態。當車輛行駛于水泥路和非鋪裝路面時，這2種較為顛簸的路面將相關的結構模態充分激勵起來，使得動力電池總成縱向加速度的PSD在12～23 Hz范圍內幾乎形成了一條連續的主能量帶，將一個窄帶隨機過程變為一個寬帶隨機過程。這一頻譜特征也影響和反映在如圖6所示的動力總成縱向加速度分頻段偽損傷計算結果上。如前所述，只有當車輛行駛于水泥路面時，動力電池縱向加速度累積形成的偽損傷才較為顯著，比較接近垂向加速度累積形成的偽損傷，因此，圖6中水泥路面的規律尤為重要，即動力電池縱向加速度累積形成的偽損傷主要集中于20～30 Hz的頻段（由底盤結構在21 Hz附近的模態引起），10～20 Hz的頻段對偽損傷也具有不可忽視的貢獻（由底盤結構在12 Hz附近的模態引起），0～10 Hz的低頻段及其他頻段的貢獻可以忽略。

3 動力電池總成機械振動的主要來源和傳遞路徑分析

如圖7所示，所選擇的新能源純電動乘用車通過前、后、左、右4個懸置將電驅總成（包含一個集成的定速比減速器）與車身（左、右懸置）和底盤前副車架（前、后懸置）連接。除了4個車輪通過懸架將來自路面的垂向激勵傳遞到動力電池總成外，電驅總成在工作過程中是否會將旋轉產生的激振能量經由4個懸置、車身和副車架傳遞到動力電池，是一個需要研究分析的問題，這對于明確引起動力電池總成機械振動的主要激勵來源，并圍繞該主要激勵來源找出與其有密切聯系的工況維度是至關重要的。

為此，在城市路面和水泥路面上分別開展了如下試驗：將車輛由靜止緩慢且均勻地加速到80 km/h（城市路）或60 km/h（水泥路），保持車速5～10 s后緩慢制動至停止，在此過程中仍以1 kHz的采樣率記錄上述動力電池的三向加速度，并以50 Hz的采樣率記錄CAN總線中的電機轉速。考慮到經過前文分析，動力電池總成機械振動的主要能量成分不超過50 Hz，因此，通過重采樣將加速度與電機轉速采樣率均調整為200 Hz，然后采用Test.Lab軟件進行階次分析，電機轉速每提高25 r/min做一個切片。

圖8和圖9所示分別為車輛在城市路面和水泥路面上行駛時，動力電池總成3處加速度縱向分量和垂向分量的階次分析結果。

由圖8可以看出，車輛在城市路面上行駛時，電機轉動帶來的階次特征較微弱。由圖8b、圖8d、圖8f可知，動力電池總成在4 Hz左右，由結構共振（其特征為峰值連線垂直于橫軸）而非電機總成的轉動（其特征為傾斜的階次特征線）引起了垂向加速度峰值；由圖8a、圖8c、圖8e可知，動力電池總成縱向加速度在2 Hz左右的極低頻段，由結構共振引起了縱向加速度峰值。垂向加速度和縱向加速度峰值均與圖3和圖4中車輛在城市路面行駛時加速度的PSD結果相互印證。

由圖9可以看出，車輛以接近相同的速度區間在更為顛簸的水泥路面上行駛時，相對于電驅總成的旋轉給動力電池總成帶來的機械振動，來自路面的垂向激勵給動力電池總成帶來的機械振動占據更為主導的地位，因為動力電池總成的垂向加速度和縱向加速度的階次特征線均更加模糊，而結構共振特征更加突出。如圖9b所示，車輛行駛于水泥路面時，動力電池右側前段垂向加速度除在5 Hz以下的低頻段出現一個共振峰外，在13 Hz處也形成一個共振峰，該結果與圖3a中水泥路面的PSD結果相互印證。

由圖8和圖9所示的階次分析結果可以初步得到如下結論：動力電池所承受的機械振動主要來自路面激勵，而非來自電機總成旋轉引起的激振；路面激勵通過懸架傳遞到動力電池總成，由于懸架對車輛簧上結構（包括動力電池總成）的隔振作用，車輛在不同路面上行駛時傳遞到動力電池總成的垂向機械振動主能量成分集中在5 Hz以下的低頻段，而該頻段也成為對動力電池偽損傷貢獻最大的頻段，在動力電池總成振動耐久性試驗驗證過程中，需要選取合適的試驗臺架和控制技術對該頻段載荷進行準確復現。

對于作用在動力電池總成上機械振動載荷的來源和主要傳遞路徑，還需進一步論證。將車輛在4種不同路面上行駛時采集到的全部148.2 km樣本數據，按照200 m的行駛里程進行等分，共獲得741個小樣本數據。計算每個小樣本數據左前輪垂向加速度累積形成損傷的對數，以及動力電池總成各加速度沿各方向的分量累積形成損傷的對數。由741個小樣本數據計算得到左前輪軸頭垂向加速度累積形成損傷的對數與動力電池總成3處加速度各分量累積形成損傷的對數之間的相關系數，如表1所示，可以看出，二者呈現顯著的相關性，相關系數均在0.7以上，其中，左前輪軸頭垂向加速度累積形成損傷的對數與動力電池總成3處加速度垂向分量累積形成損傷的對數之間呈現高度相關性，相關系數均在0.8以上。

在圖8和圖9的階次分析基礎上，可以將表1所呈現的相關關系解讀為因果關系，即路面激勵導致了動力電池總成所承受的機械振動，4個懸置和底盤車架是二者之間的傳遞路徑，電驅總成的旋轉造成的激勵對動力電池總成機械振動的影響較小。

在明確了上述關系后，對動力電池總成所承受的機械振動進行工況的劃分、識別和大數據統計分析，以及面向某一特定客戶群體的實際使用工況合理制定動力電池總成振動耐久性試驗載荷譜時，即可明確與這一目標和任務密切相關的工況維度。例如，依據道路類型（按照GB/T 7031或其他類別定義道路類型）和車速兩個維度，對行駛工況進行二維的劃分、識別和統計，因為路面不平度和車速將直接影響車輛在行駛過程中所承受的垂向激勵的強弱[9]。此外，車輛的負載狀況也應納入工況大數據統計的范疇，以相同的車速在相同的道路上行駛時，車輛的負載將顯著影響車輛簧上結構的動力學響應[1]。

4 動力電池總成機械振動的多軸激勵屬性

作用于動力電池總成的機械振動主要來自單一激振源還是多個激振源，是制定動力電池總成振動耐久性試驗規范時需要認真考慮的問題。為此，在4個車輪的軸頭安裝三向加速度傳感器，并在道路載荷數據采集的過程中記錄各傳感器沿3個方向的加速度信號，共12路信號。用xi（n）（i=1，…，12）表示這12路信號包含N個數據點的一個數據塊，采用式（1）計算這12路信號各自的自功率譜[Sxixik]，類似地，計算這12路信號兩兩之間的互功率譜：

[Sxixjk=Xik?Xjk]， i≠j （3）

將這12路信號的自功率譜和互功率譜組成一個12階矩陣[[Sxixj]]，由于每個軸頭加速度傳感器測得的信號主要反映了所在車輪受到的道路激勵信息，但是也不可避免地摻雜了其他3個車輪受到的道路激勵信息，因此，按照式（3）計算得到的互功率譜是不為零的，或者說矩陣[[Sxixj]]是一個非對角矩陣。

由于[[Sxixj]]具有共軛轉置對稱的屬性，因此，[[Sxixj]]是厄米（Hermite）矩陣[10]。依據線性代數理論[10]，厄米矩陣[[Sxixj]]一定酉相似于一個對角矩陣，即一定存在同階酉矩陣[U]，使得：

[Sx'ix'j=[U]-1[Sxixj][U]] （4）

式中：[Sx'ix'j]為一個對角矩陣，x['i]為與xi相對應的一組振源。

由于[Sx'ix'j]是一個對角矩陣，也就意味著振源x['i]與x['j]（i≠j）之間的常相干系數[Sx'ix'jk2[Sx'ix'jk?Sx'ix'jk]]恒為零，即振源x['i]與x['j]（i≠j）獨立，或者說x['i]是一組與xi相對應的獨立振源，稱為“虛擬振源”。

如果用yi（n）（i=1，2，3）表示動力電池總成右側前段、左側中段和右側后段3處三向加速度的垂向分量（共3路信號）的包含N個數據點的一個數據塊，用Yi（k）表示yi（n）的離散傅里葉變換，用[Yik]表示Yi（k）的共軛復數，則在獲得這些相互獨立的虛擬振源后，可以定義和計算動力電池總成垂向加速度信號與虛擬振源之間的虛擬相干系數γ[′2i，j]：

[γ'2i，j=Syix'j2SyiyiSx'jx'j" （i=1，…，3;j=1，…，12）] （5）

這些虛擬相干系數反映了各動力電池總成垂向加速度與各虛擬振源之間的相關程度。在此基礎上，可進一步定義和計算動力電池總成垂向加速度信號的虛擬相干自功率譜[Syiyi|x'j]：

[Syiyi|x'j=γ'2i，j?Syiyi（i=1，…，3;j=1，…，12）] （6）

虛擬相干自功率譜[Syiyi|x'j]反映了由獨立虛擬振源x['j]所引起的動力電池總成垂向加速度yi的自功率譜。將全部虛擬相干自功率譜累加得到[Syiyi∑]，有[Syiyi∑=j=112Syiyi|xj'=γ'2i，1+γ'2i，2+…+γ'2i，12?Syiyi]。由于[γ'2i，1+γ'2i，2+…+γ'2i，12]≤1，因此，[Syiyi∑]不會超過自功率譜[Syiyi]的數值，造成偏差的原因在于噪聲干擾、結構非線性響應以及存在未考慮的激勵源。

在Test.Lab軟件中進行上述虛擬相干分析和虛擬自功率譜的計算，如圖10所示，獲得了動力電池總成3處垂向加速度的虛擬相干自功率譜分析結果。

從圖10中[Syiyi]和[Syiyi∑]的對比結果可以看出，由于從軸頭到動力電池總成的傳遞路徑上存在減振器、襯套等結構引入的非線性，因此，[γ'2i，1+γ'2i，2+…+γ'2i，12]lt;1并導致[Syiyi∑lt;Syiyi]。觀察可知，[Syiyi]與[Syiyi∑]的形態一致性非常好，表現在峰谷值的高度一致性和整體走勢的高度一致性，因此，也證明了[Syiyi]和[Syiyi∑]之間的差異主要是由于結構非線性響應因素，而非其他未考慮的激勵源造成的，否則，[Syiyi∑]的整體走勢將不會跟隨[Syiyi]，整體形態上會出現大的背離，這也再次間接證明了動力電池總成機械振動的主要激勵源來自路面，而非電驅總成的旋轉或其他來源。

更為重要的是，從圖10中可以看出，動力電池總成所承受的垂向加速度來自于多個獨立的激振源，而非單個激振源。以動力電池總成右側前部為例，如圖10a所示，4個獨立振源分別在不同的頻段上對該處的垂向振動產生顯著的貢獻。由這4條曲線疊加形成的結果可以看出，這4個獨立的虛擬振源對動力電池總成右側前部的垂向振動形成了主要貢獻，其貢獻疊加已經與[Syiyi∑]非常接近，也就是說，其余獨立虛擬振源對于此處垂向激勵的貢獻可以忽略不計。因此，動力電池總成右側前部的垂向激勵主要來自4個獨立的虛擬振源。類似地，如圖10b、圖10c所示，對于動力電池右側后部和左側中部，至少有3個獨立的激振源對這兩處的垂向加速度有顯著激勵作用。

綜上，動力電池總成所承受的機械振動是典型的多軸振動問題，在動力電池總成振動耐久性試驗驗證過程中，需要選取合適的試驗臺架和控制技術對此多軸振動問題進行準確復現。

5 結束語

面向動力電池總成所承受的機械振動選取適當的試驗臺架和控制技術，并編制振動耐久性試驗載荷譜的過程中，需要從幅值、頻率、相位和次序這4個方面[11]對動力電池總成所承受的機械振動進行研究，并分析損傷的相似性。經本文分析可知，新能源乘用車動力電池總成在真實的使用環境和工況中所承受的機械振動主要來源于路面激勵，機械振動主能量成分集中在5 Hz以下的低頻段，伴隨有較大的位移行程，且其所承受的垂向加速度來自3～4個主要的獨立激振源，因此，應采用六自由度多軸模擬振動臺架開展乘用車動力電池總成振動耐久性試驗，而不應采用單軸電磁振動臺架。單軸電磁振動臺架的特點和優勢是復現高頻（一般為5～2 000 Hz）、小位移載荷（一般不超過±15 mm），載荷來源于單一激振源。從本文展示的具有代表性的試驗數據來看，乘用車動力電池總成在實際使用工況中所承受的載荷特征，恰恰處于單軸電磁振動臺架的加載盲區。與之相對應，六自由度系統總成級道路模擬試驗臺架非常適合復現低頻、大位移的振動載荷，另外，可以通過6個自由度復現多軸激勵載荷。

考慮到本文所選擇的新能源純電動乘用車動力電池總成、電驅總成的分布架構，以及與底盤、車身的連接形式非常具有典型性，因此，上述結論對于新能源純電動乘用車具有一定的普適性。

以動力電池總成在典型的真實工況中所承受的振動加速度時域信號作為目標譜，可通過雨流投影濾波（Rainflow Projected Filter）方法[11]對其進行試驗加速，再通過時域波形回放（Time Wave Replay，TWR）控制技術在六自由度振動臺架上加以復現，從而可以很好地從幅值、頻率、相位和次序4個方面確保試驗載荷譜所復現損傷的相似性。

此外，當面向某一特定客戶群體的實際使用工況定量討論合理制定動力電池總成六自由度多軸振動試驗載荷譜時，本文厘清了與這一目標和任務密切相關的工況維度，即須依據道路類型和車速兩個維度，對行駛工況進行二維的劃分、識別和統計，也需將車輛的負載狀況納入工況大數據的統計范疇。

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（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年11月6日。

通信作者：李旭東（1979―），男，博士，高級工程師，主要研究方向為結構可靠性和結構耐久性，lixudong08@126.com。

*基金項目：政府間國際科技創新合作項目（2022YFE0103100）；廣西科技重大專項項目（2023AA06007）；中汽研天津檢驗中心共性基礎技術研究項目（TJKY2224007）。