新能源汽车用动力电池系统振动试验研究

摘要 摘要 介绍了振动试验的应用背景及试验技术 综述了国内外车用动力电池系 统的振动试验标准 在此基础上设计并完成了某款纯电动汽车动力电池系统的 振动试验 并对试验方法和结果进行了分析和讨论 关键词 关键词 新能源汽车 电池系统 振动试验 0 0 引言引言 振动试验是检验产品结构功能和耐久的有效方法 一般包括振动频率 自 由振动 机械冲击 振动热循环等试验 传统车关键零部件都要通过相关试验 且已经有成熟的测试方法 但电池系统集电 热 机械等性能于一体 结构复 杂 布置位置和环境各异 目前没有完全成熟和一致的振动试验方法和标准 本文综述了国内外新能源汽车用动力电池系统振动试验标准 对某款纯电动汽 车电池系统进行振动实验 对测试结果进行分析和总结 1 1 振动试验应用背景及试验技术振动试验应用背景及试验技术 1 1 振动 振动即物体围绕平衡位置进行的一种往复运动 振动对产品的主要影响 1 结构损坏 这种破坏包括组成产品的各构件产生变形 弯曲裂纹 断裂以 及疲劳损坏等 2 工作性能失灵 这种破坏一般指在振动的影响下 造成系 统不稳定 性能差 有些系统甚至不能工作 3 工艺性能破坏 这种破坏一 般指产品的连接部件松动 焊点脱落 螺丝松动 印刷板插脚接触不良等 1 2 振动试验 与振动有关的试验广义上都可以称之为振动试验 按振动试验的目的不同 振动试验主要分为 环境适应性试验 动力学强度试验 动力特性试验和其他 试验如振动筛选试验 按照加载性质不同 振动试验可以分为 1 正弦振动 包括正弦定频和扫频 2 随机振动 包括宽带和窄带随机振动 3 混合 模式振动 如 随机叠加随机 正弦叠加随机 正弦叠加随机叠加随机等 一 般地说 正弦振动试验适合于试件的最初分析阶段 随机振动适用于最终检验 振动控制仪是通过振动台上加速度传感器的反馈信号来调整功率放大器的 输入以达到控制的目的 大多数情况下采用多点控制 针对小台面和小试验件 也可采用单点控制 按照振动参数的不同 振动试验的控制方法包括 最大值 控制 平均值控制 最小值控制等 1 3 振动设备 常用振动设备如图 1 所示 一般包括电磁振动台 液压振动台 热交换器 加速度传感器 振动控制系统 功率放大器等 综合试验时 振动台面置于环 境舱中 两个设备结合处弹性密封 2 2 新能源汽车用电池系统振动试验标准综述新能源汽车用电池系统振动试验标准综述 1 1 传统汽车零部件振动试验国际标准主要有 IEC 60068 2 6 正弦振动执 行方法 IEC 60068 2 64 随机振动执行方法 IS0 16750 3 汽车电 子电气零部件的振动试验要求 目前国内外已经发布的电动汽车电池系统振 动试验标准如下 1 UN 38 3 主要模拟锂离子 危险物品 运输过程中的振动试验测试规 范 试验分大电池 大于 12kg 和小电池 小于 12kg 电芯或小电池 振动 频率 7 200Hz X Y Z 3 个轴分别按照一定的加速度进行正弦扫频 试验在室 温进行 无高低温和充放电要求 2 IS012405 1 用于规定电动车辆的锂电池组合系统的测试程序 主要 分为一般测试 性能测试 可靠度测试及滥用测试 4 大类 其中振动试验属于 可靠度测试项目 主要模拟因表面不平道路和动力驱动所引起的随机振动 进 而造成故障和损坏 分大质量 电池组或系统 和小质量 电子设备或电池系 统的零件 两种测试方法 对于电池系统 测试频率在 200Hz 内 X Y Z 3 个轴 每个轴振动试验时间为 21 h 且随着试验样品的增多试验时间减少 试 验中有高低温要求 40 75 3 SAE J2380 用于模拟电动车电池长时间处于路面所引起的振动测试程 序 以确保电池的耐振动能力 试验前后要进行电化学性能的测试和比较 试 验过程中有 SOC 值和充放电要求 标准中未规定温湿度变化要求 但通常试验 中按照 3 个综合条件进行 即振动 温度 工况同时进行 测试频率为 10 190Hz 随机振动 X Y Z 3 个轴 可以选择正常或替代试验 4 其他企标如 GMW16390 振动频率范围宽 8 1000Hz X Y Z 3 个 轴各振动 24 h 试验样品数量随着不同的产品开发阶段有所不同 有高低温要 求 电芯最低或最高温度 5 内 要求充放电 各试验标准的具体试验方法见表 1 3 3 电池系统振动试验电池系统振动试验 3 1 试验准备 3 1 1 振动实验夹具的设计与制作 夹具分为上下两部分 模拟电池系统吊装在车身下 设计要求为刚性体 实验前采用 l g 加速度在 5 250Hz 内正弦扫频 要求其一阶共振频率大于 200Hz 3 1 2 试验台架 主要用到的试验设备有 环境箱 振动台 控制电脑 水冷机 电子负载 CAN 通讯设备 CANa lyzer 环境箱主要控制温度 40 80 振动台 模拟整车行驶过程中产生的振动工况 SAE J2380 电子负载用于电池的充放 电 水冷机用于电池系统充放电过程中的热管理 CANalyzer 主要用于与 BMS 的通讯及主要电池参数的读取和保存 电池系统振动试验台架示意图见图 2 3 1 3 传感器布置位置 1 振动台上布置 2 个传感器 测得的值取平均值后反馈给振动控制台 按照振动要求输出 2 夹具上应布置 2 个传感器 监控振动从振动台传递到夹具的实际振动 值 3 电池与夹具连接处 电池关键部位布置传感器 3 5 个 4 电池外壳表面布置 2 3 个温度传感器 3 1 4 试验记录 实验开始后一定要对关键实验参数进行监控并记录 包括 1 利用 CAN 工具读取并保存电池关键参数 包括 电芯及电池系统的温 度 电压 电流 绝缘电阻值 故障码 DTC 荷电态 SOC 紧急下电 EPO 等 2 监控设备的关键参数 如电压 电流 振动加速度 时间 压力 频 段 温湿度 噪声强度 精度 水压 流速等 3 监控安全相关的参数 包括温度 绝缘电阻 可燃气体浓度 电流限 值 3 2 试验方法 2 3 1 测试前 执行功能测试 包括容量 绝缘电阻 内阻等 2 将电池放入温湿度控制箱中 温湿度箱中温度范围为 40 85 其 一个循环过程的温度变化曲线如图 3 所示 按照测试的时间要求 反复执行温 度循环程序 直到振动试验结束 振动波形为随机振动 振动曲线与相关参数如图 4 所示 试验采用替代试 验 Z 方向 10 95 h X Y 方向各 13 58 h 3 个方向累积 38 11 h 3 测试过程中 在温度曲线所标出的带电测试区域执行带电测试 充放 电电流大小为 0 1 C 同时开启冷却循环水 保证电芯温度在工作温度范围内 4 测试结束后 执行功能测试 3 3 试验结果及分析 试验按照先 Z 方向 后 X 和 Y 方向的顺序进行 随机振动频率为 10 200Hz 电池振动谱图见图 5 6 7 由图可见 在 Z 和 X 方向 有 2 个通 道的加速度值超出了限值 其它通道的振动曲线都在限值范围内 超出限值的 2 个通道的传感器布置在电池的上壳体和承重支架上 振动超出限值是由于电 池系统不是一个完全刚性的体系 振动过程中某些部位发生较大的位移和共振 导致大出标准要求 试验前后功能正常 无 DTC 出现 振动过程中充放电功能正常 试验后电 池容量无明显衰减 1 电池系统各结构件 安装支架 冷却板 上下盖 模块及总线 无损伤 符合设计要求 3 4 问题讨论 为确保试验安全 顺利完成 需要详细具体的试验前准备 试验过程中关 键参数的监控和管理 本文对试验中一些可能影响试验结果的的因素进行初步 分析和讨论 1 试验工装的设计与验证 为了模拟电池在整车上的安装方式 需要设 计工装将振动台面与电池连接起来 工装必须确保振动台的振动完全刚性地传 到待测电池上 工装设计时主要考虑重量 机械结构 形状 选材等因素 在 振动试验前需先对工装进行扫频试验 工装自身的一阶共振频率应大于振动试 验的最大频率 本试验为小于 200Hz 另外 样品与工装重心与振动台重心设 计时应考虑对中 2 加速度多点控制策略 振动试验过程中 振动台面上一般布置 1 2 个振动传感器以监控振动台按照试验标准要求输出 根据工装大小和形状的不 同工装上一般布置 2 3 个传感器 振动控制可以为最大值法 平均值法 最小 值法等 本试验采用平均值法 加速度多点控制 在电池系统的重点检测和关 键部位尽量多地布置振动传感器以监测这些部位的振动情况 3 试验自动控制和安全防护 电池系统是高电压 高能量 高危险的集 成体 振动热循环试验又是一种极端加速试验 如何确保振动试验安全进行是 至关重要的 首先 需要对电池和试验关键参数进行监控 其次 一旦关键参 数超出限值或关键功能失效试验系统能够自动停止 本试验中采取了如下措施 电池管理系统 BMS 与振动设备通讯 实现 BMS 报错与试验自动停机的联动 设置振动台输出限值 超出限值即自动停机 做好安全预案 填写安全检查表 4 振动台的选择对实验结果的影响 振动台的选择首先是要满足试验加 速大小以及与电池系统安装要求 在此基础上 至于是选择大的振动台还是小 的振动台以及不同振动台对试验结果是否有影响说法不一 个人认为如果设备 控制相对准确的前提下 对试验结果不会有较大的影响 主要是确保试验中能 做到以上 3 点 确保符合试验标准的要求 4 4 结语结语 目前车用动力电池系统振动试验标准不一 还有待于进一步研究 在制定 振动试验方法时要根据新能源汽车自身的特点和要求选择或设计合适的试验方 法 且需要不断研究和探索确保振动试验能够准确 安全的监测和管理实施 参考文献 参考文献 1 张伟伦 电动车电池测试验证国际标准介绍 J 车辆研测资讯 2011 2 2 SAE J2380 Vibration testing of electrical vehicle batteries S USA