电动汽车动力电池包随机振动试验开发

汪双柱



电动汽车动力电池包随机振动试验开发

汪双柱

（福建省汽车工业集团云度新能源汽车股份有限公司，福建 莆田 351111）

电动汽车动力电池包振动试验是电池包安全性能验证的重要部分。文章基于试验场采集的路谱数据和车辆道路试验规范，基于等损伤原则，计算合成动力电池包加速振动试验所需要的随机目标谱（PSD）。考虑到振动试验台的有效频率限制，对目标谱进行优化和简化，得到了合理可用的振动试验输入PSD谱。

动力电池包；随机振动；PSD；加速试验

前言

当前，在国家的大力推动之下，电动汽车成为我国汽车工业发展的一大趋势，各个汽车厂家都投入到电动汽车的竞争当中。动力电池包作为电动汽车的核心部件之一，其安全性能也是衡量电动汽车产品竞争力的重要指标，也是用户关注的热点之一。动力电池包在车辆行驶过程中一直承受随机振动载荷，其振动可靠性的验证是电池包安全性能验证的重要部分，一直是行业内关注的重点之一。

国内普遍按照《电动汽车用锂离子动力电池安全要求》送审稿中的相关条款规定对动力电池进行振动试验验证。该标准将代替GB/T 31467.3-2015，并升级成为强制标准。部分车企除采用国家标准进行振动试验外，还基于试验场或用户路谱数据开发出相应车型的电池包加速振动试验方案，二者共同纳入动力电池包设计验证计划（DVP），其相互关系如图1所示。

图1 国标与基于路谱数据开发的振动试验

本文利用试验场采集的道路载荷谱及车辆道路试验规范，对动力电池包进行振动响应和疲劳损伤谱分析；然后，基于等损伤原则，合成加速振动试验所需要的随机目标谱（PSD），在不过度加速的原则下，检验验证；最后，对随机目标谱进行优化和简化，得到了合理可用的振动试验输入PSD谱。

1 路谱数据的预处理

1.1 路谱数据的获取

为了准确得到动力电池包目标PSD谱，需要测量车辆在道路试验的各个路段中电池包与车身安装点附近的加速度信号。然而，多数情况下，根据项目试验计划，动力电池包的振动试验都要在首批试验样车制作完成之前进行。所以，试验工程师通常采用上一代车型或骡子车的相关路谱数据来进行电池包随机振动试验方案的开发。本文中就是采用某车型骡子车电池包安装点附近的加速度信号来合成目标PSD谱。

1.2 路段及循环次数定义

对获取到的加速度信号按路段进行分段和初步滤波处理，消除趋势项。初步查看，按工况类型将各个路段信号分为两类：瞬时冲击类和常规振动类。对于瞬时冲击类信号，保留其时域信号。而对于常规振动类，则转换为功率谱密度（PSD）。

结合车辆试验场道路试验规范，对电池包需要经历的路段和各路段的循环次数进行定义，如表1所示。

表1 路段及循环次数

2 冲击/极限响应谱及疲劳损伤谱

2.1 冲击响应谱（SRS）的计算

图2 冲击响应谱（SRS）计算

冲击响应谱（SRS）是输入激励（加速度）经过多个固有频率不同的单自由度系统频响函数滤波后，得到的最大响应加速度或位移的总结果。它用来描述瞬时冲击工况的最大响应，是后续验证振动试验加速是否得当的主要依据之一，各瞬时冲击路段信号均计算SRS备用。SRS由Biot第一次提出[1]，目前正被广泛使用。其具体计算过程[2]如图2所示。

2.2 极限响应谱（ERS）的计算

极限响应谱（ERS）描述常规振动载荷的期望响应，和SRS从本质上来讲提供的是相同的信息。ERS用来计算常规振动路段的加速度响应，其输入是各路段加速度信号的功率谱密度，具体公式为：

ERS的计算公式由Miles提出，后经Lalanne优化推导得到[3]。

2.3 疲劳损伤谱（FDS）的计算

疲劳耐久试验的加速，包括振动试验，都是基于等损伤的原则进行的。对各个路段的加速度信号计算疲劳损伤，得到疲劳损伤谱（FDS）。

2.3.1常规振动工况的FDS计算

Lalanne在前人工作的基础上创造了一种直接从加速度PSD近似计算FDS的方法[4]，具体公式为：

公式（2）用来计算常规振动工况的FDS，其输入数据为1.2章节中所述转换得到的PSD。

2.3.2瞬时冲击工况的FDS计算

对于瞬态冲击工况，FDS的计算可以用和SRS类似的方法。不同之处在于，此处不再是简单地寻找最大响应幅值，而是对滤波的结果进行循环雨流计算，并采用Wöhler的SN法来计算疲劳损伤。

3 随机目标谱的合成

3.1 总体目标FDS、SRS和ERS的计算

图3 总体目标FDS、SRS和ERS的计算

加速振动试验的PSD产生的损伤要求至少相当于电池包在整个道路试验中所受到的同等损伤。这就在获取各路段/工况的疲劳损伤谱后，根据本文1.2中所定义的循环次数将损伤量叠加起来，作为总的目标FDS，如图3所示。

而总体目标SRS和ERS是将所有道路/工况中的SRS和ERS分别进行封装得到的，如图3所示。这两个目标谱后续将用于辅助验证合成试验PSD的正确与否。

3.2 随机目标谱的合成与验证

对公式（2）进行逆运算，即可得到等效试验时间为T的合成目标PSD谱[2]，如公式（3）所示：

式中：∑FDS(f)是总体目标FDS，k是合成的安全因子。

合成PSD谱的ERS应该与3.1章节中所得到的总体目标ERS和SRS进行比对验证。一般可以接受的情况是：合成ERS的均值大于总体目标ERS的均值，小于总体目标SRS均值。

至此，目标PSD谱合成验证完成，总结其详细流程如图4所示。

图4 目标PSD谱合成与比对验证

通过计算，取等效试验时间为12h，合成得到目标PSD谱，如图5所示。

图5 合成目标PSD谱

图6 X向总体目标FDS与合成FDS

以X方向为例，合成谱的FDS与总体目标FDS比较如图6所示。需要指出的是，FDS中的损伤值并不是真实的损伤值，而是伪损伤，仅用于比对。

将合成PSD谱的ERS与总体目标ERS和SRS比对，如图7所示，发现仅从图上曲线并不能完全确定三者的大小关系。再计算三者的均值，如表2所示，可以看出，X、Y、Z三个方向的合成ERS均值均介于总体目标ERS和SRS之间，表明合成PSD谱加速效果比较合理。

表2 合成ERS与总体目标ERS和SRS均值

4 合成随机目标谱的简化

合成的目标PSD谱要进行简化和优化，一方面合成的PSD非常复杂，需要精简；另一方面，国内现用的大多数振动试验台的最低有效频率是5Hz，而合成的PSD最低频率接近0Hz，振动台无法实现，需要优化。

图8 试验PSD

出于保守的考虑，通常选取合成PSD谱中的几个极值点，然后连接形成试验PSD谱，试验PSD谱要基本包络合成的PSD谱。对本文中合成的PSD进行简化，形成试验PSD如图8所示。简化后的PSD谱也要进行验证，本文不再赘述。

5 结论

本文阐述了利用试验场采集的道路载荷谱和试验场道路试验规范，对动力电池包进行随机振动加速试验开发的方法，合成了加速随机振动谱（PSD），并进行了验证和简化。得到了合理可用的电池包随机振动试验输入目标谱。

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

[2] 钟响亮.多轴随机振动加速疲劳载荷谱编制方法研究[D].成都:西南交通大学,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

汪双柱，硕士学位，就职于福建省汽车工业集团云度新能源汽车股份有限公司。