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摘 要：動力電池系統(tǒng)是新能源電動汽車的核心部件， 抗振動特性是動力電池系統(tǒng)的重要考察指標。本文以電池系統(tǒng)的振動試驗為研究對象，介紹了振動試驗的基本理論，對國內(nèi)外動力電池系統(tǒng)標準中的振動試驗方法和要求做了對比研究，并參考國標 GB38031，對一款電動乘用車用電池包進行了振動試驗，最后對振試驗的方法和失效形式做了分析和總結(jié)。

 

關鍵詞：動力電池系統(tǒng) 測試標準 振動試驗

 

1、 電池系統(tǒng)振動標準對比

 

振動試驗是檢驗、評價動力電池系統(tǒng)的重要方法，在大多數(shù)電池系統(tǒng)的測試標準中都會包含振動試驗。在2020年發(fā)布的國家強制標準GB38031電動汽車用動力蓄電池安全要求中，對動力電池系統(tǒng)的振動試驗方法和要求做了明確規(guī)定。在國內(nèi)外動力電池的相關標準中，振動試驗的對象有單體、模組和系統(tǒng)，其中涉及電池系統(tǒng)振動試驗的重要標準主要如下。

 

1.1 國外標準

 

1)USABC1996《電池汽車電池測試手冊》是由美國先進電池聯(lián)合會制定的，是比較早期的電池測試標準，其中的振動試驗被后期的USABC1999《關于電化學儲能系統(tǒng)濫用性測試手冊》和Freedom CAR《電動和混合動力汽車用儲能系統(tǒng)濫用測試手冊》參考引用。

 

2)SAEJ2380是由美國汽車工程師協(xié)會制定，其中的振動試驗在國內(nèi)被廣泛使用。

 

J2380參考USABC的隨機振動試驗，用于模擬新能源車用電池受路面不平度激勵引起的振動，以考核電池耐振動能力。J2380振動試驗要求被SAEJ2929 和美國保險商實驗室的UL2580參考引用。該標準提供兩種振動試驗量級可選，不同量級的試驗時間有所不同。

 

3)UN38.3主要用于模擬鋰電池在運輸過程中所受的振動載荷，該標準的振動試 驗是在 X、Y 和 Z 三個方向進行掃頻振動，振動試驗量級根據(jù)樣品重量(12kg)不同有所區(qū)分。

 

4)ISO12405是由國際標準化組織制定，其詳細規(guī)定了動力電池系統(tǒng)的測試要求。該標準規(guī)定測試過程中的SOC為50%，可以通過增加試驗樣品數(shù)量來調(diào)整試驗的時間。該標準的振動試驗被國內(nèi)早期的GB/T31467.3-2015參考引用。

 

5)ECER100-02是當前新能源汽車做歐洲認證所使用的標準，該標準對動力電池系統(tǒng)的振動規(guī)定是7-50Hz的掃頻振動試驗，掃頻后動力電池系統(tǒng)需要完成一個標準充放電循環(huán)。

 

1.2 國內(nèi)標準

 

1)GB/T31467.3-2015的制定對于我國規(guī)范車用動力電池系統(tǒng)的測試具有重要的 意義，其中的振動測試參考ISO12405，但其將SOC調(diào)整到100%。該標準規(guī)定了動力電池系統(tǒng)的在 X、Y和Z 三個方向上各進行21h的隨機振動。

 

2)GB/T31467.3-2015的2017年第1號修改單。GB/T31467.3的振動試驗要求相對比較嚴苛，試驗的通過率較低，雖然企業(yè)可以通過產(chǎn)品的改進滿足標準的要求，但同時也會造成結(jié)構(gòu)強度過度增大，成本增加，與整車輕量化原則相違背。大量實車測試數(shù)據(jù)也證明實車的振動載荷相對柔和。因此，在2017年將GB/T 31467.3的振動要求改為1號修改單的內(nèi)容。其參考ECER100-02，規(guī)定動力電池系統(tǒng)做垂直方向的3h掃頻試驗。

3)GB38031是我國車用動力電池領域的第一個國家強制標準，它將代替GB/T 31467.3，規(guī)范車用動力電池的測試要求。該標準的振動試驗規(guī)定將電池包或系統(tǒng)的SOC調(diào)整為不低于50%，振動試驗載荷根據(jù)車型的不同也有所不同，試驗分為隨機振動和定頻振動兩部分。其中隨機振動的功率譜密度(PSD)是根據(jù)大量不同車型在道路行駛中的實測數(shù)據(jù)而來，更接近我國新能源車輛的動力電池系統(tǒng)的實際受載情況。與GB/T31467.3 和其1號修改單相比，GB38031的振動試驗更加合理。國內(nèi)外動力電池系統(tǒng)的振動標準既有聯(lián)系，又有區(qū)別，很多是有 ISO12405 和SAEJ2380演化而來，但各標準的試驗條件(例如頻率范圍、試驗量級)和試驗樣品的要求有所不同，各標準的主要參數(shù)對比見表1。

 

2、 振前樣品的預處理要求

 

在振動試驗前，電池包或系統(tǒng)樣品需要先進行預處理循環(huán)，以確保在振動試驗時樣品的性能處于激活或穩(wěn)定的狀態(tài)，在此提出，預處理失?。ㄈ珉姵厝萘窟_不到要求）的樣品是不能做振動試驗的，作為不合格樣品返還電池制造商。

 

振動試驗的電池樣品預處理按GB38031標準第7.2.2條進行，在室溫條件下，其中的充放電電流都要求小于1/3的充放電倍率，不充不放的靜止時間一般是30min，充放電截止條件由電池制造商規(guī)定，或者靜止時間也按廠商規(guī)定。樣品預處理過程中，避免任何過充過放的操作，以免影響振動試驗后的測試參數(shù)對比。

 

預處理通過的判定：

 

①樣品連續(xù)2次的放電容量變化均不高于額定容量的3%，預處理成功。

 

②樣品連續(xù)5次的充放電循環(huán)都正常，預處理成功。

 

整個預處理的步驟見圖1樣品預處理流程示意圖。

圖1 樣品預處理流程示意圖

 

振動試驗對電池的化學物質(zhì)的活性有破壞作用，驗證其破壞作用，就必須在振動前先激活動力電池并確認振動前電池性能穩(wěn)定，即先做樣品的預處理，以便做試驗前后的測試數(shù)據(jù)對比，綜合評估電池的耐振能力。

 

3、 試驗夾具和樣品固定方式

 

電池的振動試驗涉及到振動能量的傳播，這涉及到能量的傳播方向或路徑，試驗樣品安裝應符合GB/T2423.43的要求，如果樣品安裝方式不當，往往會改變振動能量的真實傳播，最終影響到試驗結(jié)果。

 

電池振動試驗的能量傳播方向和路徑見圖2振動能量傳播示意圖。

圖2 振動能量傳播示意圖

 

從圖2的傳播示意圖可以看出，試驗夾具和電池包固定板（支撐腳）對能量傳遞鏈條起著關鍵的作用。

 

動力電池振動能量傳播的第一切入點是電池包的固定板，在作螺釘固定時有必要模擬裝車的實況，固定板在電池包殼體的布置狀況見圖3電池包的支撐腳。

圖3 電池包的支撐腳

 

對于試驗夾具，必須確保其一階固有頻率必須遠高于試驗頻率的上限，例如GB38031振動的頻率上限是200Hz，那么夾具在試驗前必須先做頻率響應檢查，如果其三個軸向的一階固有頻率均遠高于200Hz，試驗夾具才允許使用。

 

電池包固定板(外殼支撐腳)是電池樣品的振動應力傳輸路徑的最先導入點，試驗樣品的與振動臺面耦合安裝的固定位置和固定點數(shù)必須符合裝車狀況，或試驗樣品與夾具耦合安裝的固定位置和固定點數(shù)必須符合裝車狀況。

 

GB38031中的振動試驗要求都引用了方法標準GB/T2423.10（正弦）和GB2423.56（隨機），因此在做動力電池的振動試驗前，先做頻響檢查，振動試驗后再做頻響檢查，如果前后對應頻響數(shù)據(jù)變化較大，就意味著動力電池結(jié)構(gòu)的固有頻率發(fā)生明顯的向下漂移，這說明電池結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生了較大幅度的降低，結(jié)構(gòu)剛度也會影響動力電池的安全?；蛘哒f對頻響數(shù)據(jù)有可疑之處，企業(yè)應盡早進行摸底和驗證試驗，在產(chǎn)品設計階段及時進行調(diào)整。

 

5、 振動試驗順序特點

 

在GB38031標準的第8.2條中，規(guī)定汽車行駛方向為x軸向，即前后方向就是x軸向，左右方向為y方向，上下方向（垂直方向）就是z軸向。

 

振動試驗前，根據(jù)電池的裝車實況，振動方向的布局可參考圖4電池包的振動試驗過程監(jiān)控示意圖。

圖4 電池包的振動試驗過程監(jiān)控示意圖

 

該標準的振動試驗推薦的試驗順序為先垂直方向后水平方向，先做隨機振動后做正弦振動。以重型電動汽車為例，一般的順序途徑如圖5振動試驗的一般順序示意。

圖5 振動試驗的一般順序示意

 

振動試驗順序可根據(jù)實際情況，做出合理調(diào)整，該標準的第8.2.1.4條中提到：檢測機構(gòu)也可自行選擇（試驗）順序，以縮短（軸向）轉(zhuǎn)換時間。圖6是電池包在垂直方向的振動試驗實況圖。

 

圖6 電池包的振動試驗實況圖

 

6、 某款動力電池系統(tǒng)振動試驗

 

本文選用了一款乘用車用動力電池系統(tǒng)，參考GB38031進行隨機振動試驗。動試驗前，對電池包進行性能測試，包括容量、絕緣和氣密性等，功能檢查正常后開展振動試驗。通過夾具將電池包固定在振動臺上，電池包和夾具的固定方式、螺栓規(guī)格和實車裝配保持一致?？刂泣c傳感器布置在夾具與電池包固定的螺栓附近，采用4個對角位置的傳感器的進行算術平均值控制。在隨機振動前后進行掃頻試驗，以測試樣品的固有頻率，掃頻范圍5至200Hz，掃頻速度 1Oct/min，振動量級0.5g。Z方向振動前后的掃頻數(shù)據(jù)見圖2和圖 3，由圖可見 Z方向振動前一階固有頻率是57.06Hz，振動后的一階固有頻率是54.94Hz，試驗前后變化不大。按照GB38031的要求，樣品先后在Z、Y、X三個方向上做隨機和定頻振動，三個方向的隨機振動功率譜密度見圖7~圖11。振動試驗過程中，電池包的監(jiān)控參數(shù)無異常變化，外觀結(jié)構(gòu)完好，無泄漏、破裂等現(xiàn)象。試驗后，對電池包進行性能測試，電池包絕緣正常、容量無明顯變化、氣密性合格，符合測試要求。

圖7 Z 方向振動前掃頻

圖8 Z 方向振動后掃頻

圖9 Z 方向振動 PSD

圖10 Y 方向振動 PSD

圖11 X 方向振動 PSD

 

7、 振動試驗的失效形式

 

根據(jù)以往的振動試驗經(jīng)驗，動力電池系統(tǒng)的振動測試失效形式主要有下面幾個方 面：1) 電池包上下殼體開裂，見圖12所示；2) 電池包的掛耳或嵌套螺帽開裂， 見圖13所示；3) 高壓匯流線斷裂；4) 單體電壓采樣線松動或斷裂；5) 模組固定螺栓松動造成模組移動，見圖9；6) 控制系統(tǒng)(BMS)松動或斷裂等。

圖12 電池包下底殼開裂圖

圖13 電池包掛耳開裂圖

圖14 電池包內(nèi)模組松動圖

 

8、 結(jié)語

 

隨著新國標GB38031的制定和實施，動力電池系統(tǒng)的測試有了合理、規(guī)范的依據(jù)，但筆者認為當前測試標準中的振動要求還有改進的地方，例如標準中未對振動樣品和夾具的安裝要求做出規(guī)定，安裝狀態(tài)的不同對試驗結(jié)果有很大影響。另外，隨機振動試驗未對峰值因子或削波系數(shù)做出規(guī)定，在Grms值相同的情況下，這兩個參數(shù)的不同對試驗結(jié)果也有很大影響，為了使振動試驗更接近實際路況載荷的影響，還需要研究合理的峰值因子或削波系數(shù)。近幾年動力電池系統(tǒng)發(fā)展迅速，其結(jié)構(gòu)的耐振動性能有很大的提高，但仍然存在很多振動失效案例，因此在機械強度和輕量化方面，還有很大的改進空間。