新能源汽车用动力电池系统振动试验研究

2021-12-31王睿

科技创新与应用 2021年36期

王睿

（湖北省电力装备有限公司，湖北武汉430060）

由于汽车的发展比较迅速，新能源汽车的功能已得到普及。新能源汽车出现前期，我们要对汽车的使用期限以及其稳定性等性能进行相关的检测以及评估。其中必不可少的一个操作过程就是在结构振动试验中模拟动力电池在新能源汽车行驶过程中的振动情况。激振技术是在结构振动试验台上准确模拟动力电池行驶过程的关键技术，它决定了试验台道路振动模拟的真实性和有效性。截至目前，我国的很大一部分高山动力电池试验台采用电动激振，但其下限频率高，波形失真严重，高频幅度低。由于自身结构原理的限制，普通电液伺服阀难以在其带宽上取得大的突破，对振动波形的控制更是难以实现，振动频率被局限在低区间之内。在实际行驶中，车辆受到路面传来的力会随着车速的变化而变化，这就是振动的概念。到现在为止，新能源汽车的外形特点与其他传统的车型还是相差甚远，尽管新能源车在行驶之中还是会有些许地振动，长此以往，这种振动势必传输到动力电池引起共振的效果，这会引发严重的危险问题。因此，为了保证新能源汽车的安全性以及可靠性，其良好的抗震性能必不可少。一般情况下，进行比较合理的机械性设计对于新能源汽车有很大的帮助，能提升动力电池的续航能力。

振动试验是对于产品进行检测以及对其结构功能和耐久性进行检验的一种长期有效的技术，原先的汽车主要部位都会经过一定的测试，而且其测试的方法比较成熟。但是，电池系统的动力电动汽车其性能和功能比较复杂，且结构多样。目前，还没有一致的振动测试方法和标准。纯电动汽车的主要核心配件便是动力电池系统，其具有良好的可靠性能和平衡性能，这些性能决定着整车的性能。由于我国汽车配件的发展越来越迅速，因此一般原始的单向振动试验台已经不太适用，它的功能以及效果也受到了很大的质疑。在单向振动试验台之中，仅仅只有一小部分进行过试验，其余的没有进行过实质性的试验。因此，很难评价试验和没有过试验的参数，无法对于其振动性能的参数得到一个完整的参数标准。纯电动汽车动力电池系统大多数是放置于车身的地板之下，其安装的环境不好。动力电池的主要媒介之一是电池盒，其对于动力电池的安全性能起着一定的保护作用。近几年来，铝合金材料、碳纤维材料等材料虽然因其轻量化程度高而广受欢迎，但是成本比较高，而且很难得到宣传与推广。截至目前，对于车身的材料选择还是以金属材料为主。所以，怎样能够对于箱体的结构设计以及材料的选择进行提高这是其主要的任务之一，也是大家广为关注的一个问题。在此基础上，文章对电动汽车动力电池箱的设计展开了进一步的研究。

振动试验是一项对于新能源汽车及其他产品的很多功能以及耐久性进行检测的良好的方法。一般包含很多种试验，传统的电动汽车主要零部件有对应的研究方法，但是电池系统集各种性能于一体，结构比较繁复，其所处的位置也不一样。文章主要对国内外新能源汽车的动力电池系统的试验进行了标准测定，然后以某一款新能源汽车为例，对该系统做了具体的振动试验，并对其测试的相关结果进行了有关分析与总结。

1 振动试验的背景情况及其技术实验

1.1 振动

具体来说，物体一般以一个相对比较平衡的位置作为支点，绕其进行往复的运动，将其称之为振动。振动对产品有以下的影响：首先，结构的破损一般有产品之间、各个配件之间的破损、弯曲以及裂纹断裂的情况等等；振动干扰条件比较大的情况下，系统的运行状态不是特别的稳定，不可靠，造成工作性能失灵的情况，更严重的会直接导致不能工作；一般产品的配件之间可能会连接不紧密，造成松动等情况。

1.2 振动试验

广泛而言，我们将凡是与振动相关的试验都叫做振动性的试验。由于其目的不同，我们可以将其分为三个方面。按加载的性质不同，将其分为以下几个类型：正弦振动、随机振动、混合振动。比如，随机的叠加振动以及正弦和正弦叠加的随机振动等等。一般而言，试件一开始的分析比较适合正弦的振动实验，结尾处的试验比较适用于随机的振动。其中，通过振动台上的加速度传感器反应的信号可以对其输入与输出情况进行反馈，大部分情况之下，使用的是多点的控制措施，面对小台面以及小的实验室部件也会使用单点的控制。因为振动的参数不同，所以振动试验的控制方法包含最大值的控制以及平均值的控制，还有最小值的控制等等。

1.3 振动装置

常需要用到的设备有电磁振动台、热交换器以及各种其他的系统。在进行比较综合性的实验时，我们一般将振动的平面放置于环境舱之中，然后将两个设备结合进行密封处理。

2 电动系统振动试验

2.1 对于振动试验夹具的设计和制作

一般情况下，振动试验的夹具可以分为两个类型，对于电池系统进行模拟的时候会使其上升至顶部，然后吊着安装在车身的下部，试验之前需要采用1g加速度在5～250Hz之间进行正弦的扫频，并且必须保证一阶的共振频率可以达到200Hz以上。

2.2 试验目的

通过模拟新能源汽车的实际运行过程，检测电动系统的各零部件强度、稳定性以及极限载荷。根据振动试验的结果进行运算和分析就可以得到动力电池系统的基本实际参数与理论参数之间的差值。结合动力电池系统各零部件在振动试验中的具体表现，可以得到影响其理论性能的关键要素。从消费者的角度而言，本试验可以得到新能源汽车电力系统的具体使用环境及其使用方法，进而提升使用者的使用体验。由于试验数据的真实性较强，所以严格按照试验提供的数据使用设备能够延长设备的使用寿命。对新能源汽车电动系统的发展方面而言，试验中所反应出的动力电池系统部分零件问题，可以为其优化、改进提供改革方案，对于动力电池系统的生产和发展具有重要意义。

2.3 试验设备

主要测试设备有：环境箱、振动台、电子负载、CAN通信设备。其主要的功能如下：环境箱是对于温度进行掌握的，一般有一个温度范围即-40℃～80℃；振动台用于模拟整车行驶过程中产生的振动条件（SAE J2380）；电子负载用于蓄电池充放电；水冷器用于电池系统充放电过程中的热管理；CAN通信设备主要用于与BMS的通讯，读取和保存电池的主要参数。

2.4 试验步骤

首先，振动试验开始前应该对试验所需用到的设备进行检查（夹具、振动台、环境箱等），确保试验过程顺利的开展。其次，将试验试样（动力电池系统）以正常安装方式固定在试验台上，确保试验的安全性与准确性。随后启动振动台，使其在5～250Hz的频率范围内以1g加速度进行循环扫描。在循环扫描过程中对动力电池系统的外观及紧固部位进行单位时间的观察与记录。试验结束后对试验设备进行整理。

2.5 注意事项

由于振动试验会产生的巨大噪声，因此工作人员需要进行防噪措施避免安全事故的发生。另外，在振动设备工作时，切勿用手触碰。

2.6 讨论

为了使试验能够如期地顺利完成，我们需要在试验前期做一部分的准备工作，对于试验台上的试验参数进行相关的检测以及管理。本篇文章对于可能会对试验造成的影响因素以及试验中可能会遇到的问题做了进一步的分析与讨论。测试工具的设计和验证。为了做一个模拟性的试验，需要准备一些模拟试验所需要的道具。在试验之前，需要对于工装方面进行扫频，此外，在设计中还应考虑样品和工装的重心以及振动台的重心。

对于控制需要进行加速设置。在振动的试验平台上，依据试验的具体标准情况，对于其输出与输入的大小尺寸进行了严格的控制。一般情况下，实验平台上会装有两到三个传感器，并且振动控制时的方法可以采用最大平均法以及最小值域的方法，这个试验主要是采用前者。如果想要使蓄电池的震动情况得到实时的监控和管理，需要对其内部尽量多地设置振动传感器。

对于其性能进行测试以及对于其安全性能进行监护功能。蓄电池是一个比较高级的系统，它所需的电压比较高，其所需的能量也比较高，振动热循环这一试验速度比较高，而且试验过程之中对于其保护性能比较高。所以，第一步，主要是对于电池的主要参数进行检测，如果其主要的参数设置超过规定的参数，则不能正常工作。测试的系统可以随时停止工作。此次试验的过程之中，其主要的操作步骤有：电池的管理系统与其通信的设备，可以对电池管理系统的错误报告以及自动实验停机的相互联系进行合理的实施。

选择一台合理的振动台对于试验所测的结果有很大的关系。对于其选择的第一考量是需要其满足实验的加速度，电池安装过程中需按照标准进行。基于此，对于是否选用大、小的仪器对于结果的影响大或者小，具有不同的观点。本文认为，如果将设备控制精确一些，对试验所造成的影响不会太大。最重要的目的是保证上述三点在试验中能够达到并满足试验标准的要求。

3 新能源汽车用动力电池系统振动试验标准综述

截至目前，国内外已发布了电动汽车蓄电池系统振动试验标准。UN 38.3主要模拟锂离子（危险品）在运输过程中的振动试验规范。测试分为大电池（＞12kg）和小电池（＜12kg，单体或小电池）。振动频率为7～200Hz。X、Y、Z轴按照一定的加速度正弦扫掠。试验在室温下进行，无高低温和充放电要求；ISO124051用于规定电动汽车锂电池组合系统的试验程序，主要分为四类：一般试验、性能试验、可靠性试验和滥用试验。其中，振动试验是一项可靠性试验项目，主要模拟随机振动因道路不平和动力驱动引起的故障和损坏。有两种测试方法：大质量（电池组或系统）和小质量（电子设备零件或电池系统）。对于电池系统，测试频率为200Hz，X、Y、Z三轴，每轴振动测试时间为21个小时，随着测试样品的增加，测试时间缩短，有高低温要求（-40℃～75℃）。

SAE J2380是用来模拟电动汽车电池长期在道路上引起的振动试验过程，从而能够使得电池的抗震性能得到比较好的控制。在进行这一试验的过程中，主要是对其电化学性能需要进行相关的测试。在这一过程中，还需要设置相关的参数。这个标准对于所规定的参数并没有任何的变化，但是试验一般情况下需要按照振动、温度以及工况这三个主要的方面来进行同时的测定，其设定的频率是一个范围值，一般在10～190Hz之间，分为三个平面，数学方法记为X、Y和Z轴。可选择正常或替代测试X、Y、Z三个轴，而且互相可以振动一整天的时间。其所测样品的数目可能会因其在产品的开发过程中有所不同，对温度也有一定的要求，而且需要对其进行充放电。

4 多轴振动的试验概述

我国新能源汽车零件技术得到了蓬勃的发展。相比于传统条件下的试验台，它的环境被大多数操作者质疑，主要是由于在单向的振动试验过程之中，多点控制的试验法会导致比较大的试样的一部分试验会过激，而另一部分会有所欠缺，对于其试验的过激与欠缺不会有太大的检验参数。所以，没有办法对于其样品在振动的条件下进行评判，也没有这样一个评判的标准。多自由度的振动试验台以及该试验法可以很大程度上防止这种现象的发生。这是对比较大的试样以及比较复杂的试样进行有效的试验所具备的关键技术和设施。对于验证试样结构的稳定性具有非常重要的现实意义。

振动平台在空间之中含有6个自由度，这能够满足各种物体的运动需求。其中很多研究一直用到的振动试验台有3个正交平移以及3个转动运动的6个自由度平台，主要是采取空间上的各种并联的功能，与串联比较而言，该并联系统的结构比较稳定，而且精确度高，对于其方向位置比较容易控制，但是它唯一的不足之处是不太灵活。

在其驱动的过程之中，主要分为两种：一种是电动式，一种是电液式。电液式的振动台的频率比较小，位移比较大，承载的功能比较强大，但是电动式的频率相比而言就比较低，力量大，移动的距离不太大。在振动台的应用过程之中，欧美国家是最早应用的，这对于控制技术有着比较重要的作用，而且在其他领域上也有很大的发展空间。比如，美国的一家公司是主要提供设备以及检测仪器的，不但对于在路面上的模拟试验中拥有高超技术，而且在业界拥有知名的振动控制系统技术。