新能源动力电池机械冲击测试原理与模型研究

梁聪

摘要：机械冲击是新能源动力电池研发过程中安全性、可靠性考核试验的重要测试内容。本文深入研究机械冲击试验的测试原理，通过建立机械冲击动力学模型，探讨波形发生器、试验高度、动力电池样品质量和阻尼器粘阻系数对动力电池机械冲击测试结果的影响。在此基础上，提出一种高效调节目标参数从而快速获得理想测试结果的试验方法，缩短了实际工程测试的调试时间并提高测试效率提供了良好的理论基础。

Abstract： Mechanical shock is an important part of safety and reliability test in the development of new energy battery. In this paper， the testing principle of mechanical shock is deeply studied， and the dynamic model of mechanical shock is established， the effects of waveform generator， test height， test sample quality and damper viscosity coefficient on the mechanical shock results of power battery were investigated. On the basis of this， a method of adjusting target parameters efficiently to obtain ideal test results is proposed， which provides a good theoretical basis for reducing debugging time and improving test efficiency in practical engineering test.

关键词：机械冲击;脉冲时间;峰值加速度;动力电池

Key words： mechanical shock;pulse time;peak acceleration;power battery

0  引言

在国家政策的强力推动下，我国的新能源汽车的保有量目前已达到了百万级别。随着新能源汽车行业的进一步成长，预计到2025年前后，新能源汽车新车销量占比会达到25%[1]，累计市场占有率将达到四成左右。然而，仅在过去的2019年，据媒体报道及统计，有超过100例新能源汽车发生自然、起火等安全事故。其中，30%的安全事故是因机械可靠性不足而引起的。而机械冲击作为机械安全性、可靠性考核试验的重要测试内容[2]，动力电池生产及研发企业、新能源整车企业、高校等科研院所、检测中心等相关企业和单位，纷纷在机械冲击领域展开相关研究。

新能源汽车在实际工作中会遇到非正常路面状况，如沟壑、凸起等，这样就会在极短的时间内（一般为几毫秒到几十毫秒）对动力电池系统引起极大的加速度变化（一般为几倍到几十倍的重力加速度）。为了规范新能源汽车行业健康有序发展，国标委相继制定了GB/T 31467.3-2015 《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法》、GB 38031-2020 《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，机械冲击也被引入其中作为强制标准的测试项目。并且在实际产品研发过程中，由于各个车辆类别和实际应用场景的不同，主机厂会对动力电池提出各种各样的机械冲击试验要求。因此，有必要对动力电池机械冲击测试进行相关原理和模型的研究，才能更好地满足多种多样的机械冲击测试需求。

蒋亮亮等人[3，4，5]通过对冲击试验台存在的几种结构进行探讨和分析，优化设计了一种冲击试验台，并对某商用车用半轴进行了冲击试验。蒋殿臣等人[6]针对摆锤式冲击响应谱试验台波形试验的调试方法进行了总结，介绍了摆锤式冲击响应谱试验台的工作原理和设备结构组成，概述了响应谱型控制的主要技术指标，总结了目标环境调试方法、调试规律。于洽会等人[7，8]介绍了一种垂直跌落冲击台 ，并对其结构特点、工作原理、冲击试验的波形进行了阐述与分析，并提及了相关的设计思路和改进措施。庄佳俊等人[9]讨论了加速度传感器的误差、工装夹具的安装、波形发生器的选择等几种关键因素对于实验结果的影响。

然而，就目前而言，绝大多数的机械冲击试验是通过人工迭代，不断试错的方式进行试验参数的调节，以求达到所需要的机械冲击测试需求及波形图。基于上述情况，一方面无法快速响应动力电池机械冲击所提出的试验要求，试验效率低下;另外一方面，频繁调试会使试验工作人员受伤风险增大，且会加速冲击试验台的损耗折旧，使得人民生命财产安全受到潜在威胁。本文主要从理论上研究动力电池机械冲击试验模型，深入探讨脉宽时间、峰值加速度、试验高度等试验参数之间的内在关系，提出了一种高效、快速调节冲击试验台的过程方法。该方法既提高了机械冲击试验的测试效率，也为后续的冲击试验台的升级改造也提供了一種思路和理论基础，非常具有实际意义与应用价值。

1  机械冲击动力学模型

目前，国内外主流的第三方检测机构所采用的机械冲击台的类型多为跌落式冲击试验台。本文以苏州苏试仪器有限公司的QP-1500这款冲击试验台为例，简述机械冲击台的工作过程：工作台由安装在底座上的两根滑动导向柱导向，可以上下滑动。两个气缸通过活塞杆上的拉杆与工作台连接，当气缸充气时，活塞杆被向上顶出，带动工作台向上提升。冲击试验一旦开始，气缸充气，工作台向上提升，当工作台上升到预先设定的跌落高度时，气缸快速放气，锁紧装置解锁，工作台面自设定的高度自由跌落。在一般试验过程中，先将动力电池样品固定于刚性的工作台上，然后动力电池样品、工作台面，与工作台冲击座及上面预先安装的波形发生器发生撞击，完成一次冲击过程。

本文通过抽象波形发生器、阻尼器以及动力电池样品，简化其他非关键部件，得出以下动力电池机械冲击物理模型：即为具有初速度的带阻尼的一维振动系统。假设动力电池样品的质量为m，工作台的质量为m0，模拟波形发生器的弹簧的刚度为k，阻尼器的阻尼系数为C，动力电池样品偏离原点的位移为x，选取弹簧的平衡位置作为原点，选取向上为正方向，且忽略空气阻力的影响[10]。根据牛顿第二定律，可列出以下动力学微分方程：

2.3 动力电池样品质量和阻尼器粘阻系数对冲击试验结果的影响

动力电池样品质量m由于在试验一开始就确定了，而粘阻系数C指的是阻尼器中阻尼材质的特性参数，它在设备制造时已经确定了，无法变更。因此，动力电池样品质量m和阻尼器粘阻系数无法起到调节目标试验曲线的作用。

3  结论

本文主要研究了机械冲击试验模型的各个变量参数对于机械冲击试验结果的影响。通过波形发生器、试验高度、动力电池样品质量和阻尼器粘阻系数对冲击试验结果的分析，得出以下结论：

①脉宽时间仅由波形发生器所决定。如果把波形发生器理解为弹簧，那么波形发生器的杨氏模量E就对应了弹簧的刚度系数k。通过改变波形发生器的串联或者并联的数量（可以理解为将弹簧进行串联或者并联），就可以达到调节冲击脉宽时间的效果。若事先将波形发生器在线性变化范围内的杨氏模量E与抽象的弹簧刚度系数k建立换算关系，再加上已知粘阻系数C、动力电池样品质量m、工作台质量m0，通过计算公式就可以理论推算出所选取的波形发生器是不是能够达到冲击试验所要求的脉宽时间。

②脉冲峰值加速度主要是由试验高度所决定。根据式（5），在调整好脉宽时间后，此时ω和β就是确定的量。由于当t→0，式（5）可近似地理解为取到最大值，那么此时试验高度h就可以根据式（5）解出。

③在允许误差范围内，机械冲击试验高效、快捷的调节过程应该遵循以下顺序：在调节跌落式冲击试验台时，应先根据脉冲时间（此时T已知）、粘阻系数C、动力电池样品质量m0和工作台质量m来计算刚度系数k。然后根据刚度系数k来确定波形发生器的数量以及串并联组合。当波形发生器的形式确定后，再利用式（5）（此时k、C、m、m0均已知），令t→0，近似地计算出试验高度h。

参考文献：

[1]http：//www.miit.gov.cn/n1278117/n1648113/c7553623/content.html.

[2]王彩娟，宋杨，魏洪兵，赵永.部分锂离子电池的机械性能研究[J].电池工业，2010，15（06）：345-347.

[3]蒋亮亮，孙金其，廖龙杰. 落锤式冲击验台的研究与设计[J]. 汽车零部件， 2016（05）：34-37.

[4]周浩. 落锤试验台结构分析与优化设计[C]. 2015Altair技术大会论文集.澳汰尔工程软件（上海）有限公司（Altair Engineering，Inc.）：澳汰尔工程软件（上海）有限公司，2015：882-890.

[5]高奇帅.汽车零部件冲击试验台的设计及冲击试验分析[D].哈尔滨工业大学，2008.

[6]蒋殿臣，赵卓茂，冯伟干，田振强.新型摆锤式冲击响应谱试验台波形的调试方法研究[J].机械工程师，2014（08）：98-99.

[7]于治会.一种跌落冲击台的设计问题[J].仪器仪表与分析监测，2000（03）：35-40.

[8]吴斌.气压驱动垂直冲击試验台设计[J].机械设计与制造，2002（05）：38-40.

[9]庄佳俊，宋寒，王红云.冲击试验过程中对试验结果产生影响的因素分析[J].现代测量与实验室管理，2011，19（04）：27-29.

[10]Cyril M·Harris and Charles E·Crede. Shock ang vibration Handbook， second edition. New york： Mcgraw-Hill book company， chapter 26.