基于四立柱的电池包道路模拟试验方法研究①

王仕雄，张本松

(宣城职业技术学院机械与汽车工程系，安徽 宣城 242000)

0 引 言

如何设计制造出优质而又安全的电动汽车成为各大汽车厂商关注的重点，电池包作为电动汽车的重要部分，其良好的结构耐久性能决定着整个电动汽车的安全性能[1]。

现阶段大家对电池包的疲劳耐久性能尚未给予足够的重视，电池包的耐久振动试验开展并不成熟。绝大多数汽车厂商的电池振动试验依据GB/T 3146.7——2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统》等行业标准进行。众多的行业标准导致不同的厂商对于试验方法的条件无法统一，且个别标准的试验条件、工况与实际工作环境相差较大。

介绍了一种基于四立柱的电池包道路模拟试验方法。以国内某合资汽车品牌电动汽车作为研究对象，在专业试车场进行道路行驶的振动载荷谱采集。以电池包各加速度通道作为重点控制通道，结合四立柱设备对整车进行迭代试验，试验结束后通过对比道路试验车辆电池包的失效形式，证明此方法的可靠性。

1 信号采集

电池包的振动疲劳试验选取整车综合耐久工况，通过标准试车场的典型路面进行载荷信号采集，并根据规范及工程经验对信号进行筛选编辑，通过复现目标信号，达到电池包振动耐久试验的目的[2]。部分路面循环次数见下表1。

表1 部分路面循环次数统计

汽车的行驶过程中路面不平度产生的激励，通过悬架传递到车身然后传递给电池包[3-4]。因此选取电池包四个角落以及正中心共五个点位布置三向加速度计进行加速度信号的采集，如图1。

图1 电池包传感器布置图

2 信号分析与编辑

信号分析主要方式为观察功率谱密度曲线在频域上的分布以及相对能量计算。通过功率谱密度曲线可以分析得到电池包振动激励贡献较大的主要频段；通过相对能量计算对比可以得到电池包振动激励贡献较大的主要方向。

相对能量计算公式(1)：

(1)

式中，E是相对能量，a(t)为加速度信号。

选取特征路面形成下表相对能量计算结果，根据表2的计算结果可知，Z方向的相对能量远大于X，Y方向，基本在X，Y方向能量的300%以上。再结合工程经验，车身侧的振动激励主要来源与垂向激励，因此可以认为电池包所受到的疲劳损伤主要来自于路面的垂向激励。后面对于加速度信号的编辑处理及迭代试验也只需要选取Z方向的信号即可。

表2 信号能量计算表

图2-图3为部分通道的功率谱密度曲线图，由曲线图可知，电池包加速度信号的激励能量主要集中在0-50Hz，而实际台架难以复现0.5Hz以下的低频激励。因此在迭代及台架试验过程中需要控制的频段即为0.5-50Hz[5]。

本试验研究了反应温度、反应时间、溶液钼浓度、氨钼比（摩尔比）、搅拌速度、机械球磨和结晶时pH值等因素对产品直收率与物理性能（表面形貌、粒度）的影响。

图2 左前加速度功率谱密度曲线

图3 中心加速度功率谱密度曲线

完成以上分析后，需要对信号进行迭代前的基本编辑，包括，去除偏置项、滤波、重采样、剪切等等。编辑完成的信号称为目标信号。

3 信号迭代

信号迭代主要包括传递函数计算、驱动迭代、迭代效果判断3个部分。

3.1 传递函数

初始驱动信号的获取，需要通过传递函数与目标信号的计算得来。因此在迭代前，首先需要计算系统的传递函数[6]。传递函数的求解方法如式(2)。

H(f)=Gyx(f)Gxx(f)-1

(2)

式中：H(f)为系统传递函数；Gyx(f)为响应信号和激励信号的互功率谱,Gxx(f)为激励信号的自功率谱。

3.2 迭代及评价

如果整个系统的传递关系线性度良好，则可使用式(3)计算得到驱动。

X(f)=H(f)-1Y(f)

(3)

式中：X(f)为驱动信号谱函数；Y(f)为目标响应信号谱函数。

实际的试验过程中，需要通过迭代的方法得到能使响应信号逐步接近目标信号的驱动。迭代过程如图4.

图4 迭代流程图

迭代的效果可通过以下几种方式评价。

均方根误差是衡量各通道迭代收敛情况的参数，其计算公式为式(4)：

(4)

式中：ε为均方根误差，RMS(yt(t))为响应信号均方根值，RMS(yd(t))为目标信号均方根值。

图5为迭代过程中的均方根值误差曲线图，通过8次试验迭代，均方根误差逐步下降，所有的加速度通道均方误差最终都收敛到20%以内，响应信号与目标信号较接近较好。

图5 均方根值误差收敛曲线

图6-图7挑选了两个具有代表性的加速度通道进行迭代前后的功率谱密度曲线对比。通过对比响应与目标信号的功率谱，可以发现，两条曲线十分接近，迭代效果较为理想。

图6 左前加速度功率谱密度对比

图7 中心加速度功率谱对比

表3列举出了各垂向通道最终响应加速度能量与目标信号能量计算结果。最终响应与目标信号的能量比结果较好(80%～120%)，满足迭代要求。

表3 信号能量对比表

由以上几种评价方式可知，迭代结果较为理想，满足耐久试验的要求。

4 耐久试验

得到理想的驱动信号后即可执行试验，表1中的路面循环次数即为每个驱动信号的重复次数。耐久试验后，检查样件，发现电池包钣金焊接点出现裂纹，固定螺栓扭矩变小，与实际整车道路耐久试验过程中电池包的失效模式一致，证明了本试验方法的有效性。

5 结 论

总结了基于四立柱的电池包道路模拟试验方法，论述了从信号采集、信号编辑、信号迭代到耐久试验完整的台架试验方法。精确复现特定车型特定电池包产品在道路行驶过程中的实际振动工况，与现行的电池包振动疲劳试验方法相比，试验精度和试验可靠性都更高。同时对很多主机厂、零部件厂的电池包振动试验具有一定的借鉴指导意义。