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嘉峪檢測網 2024-10-08 19:38
摘 要：動力電池系統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的重要考察指標。本文以電池系統的振動試驗為研究對象，介紹了振動試驗的基本理論，對國內外動力電池系統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。
關鍵詞：動力電池系統 測試標準 振動試驗
1、 電池系統振動標準對比
振動試驗是檢驗、評價動力電池系統的重要方法，在大多數電池系統的測試標準中都會包含振動試驗。在2020年發布的國家強制標準GB38031電動汽車用動力蓄電池安全要求中，對動力電池系統的振動試驗方法和要求做了明確規定。在國內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，其中涉及電池系統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濫用性測試手冊》和Freedom CAR《電動和混合動力汽車用儲能系統濫用測試手冊》參考引用。
2)SAEJ2380是由美國汽車工程師協會制定，其中的振動試驗在國內被廣泛使用。
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，振動試驗量級根據樣品重量(12kg)不同有所區分。
4)ISO12405是由國際標準化組織制定，其詳細規定了動力電池系統的測試要求。該標準規定測試過程中的SOC為50%，可以通過增加試驗樣品數量來調整試驗的時間。該標準的振動試驗被國內早期的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的振動規定是7-50Hz的掃頻振動試驗，掃頻后動力電池系統需要完成一個標準充放電循環。
1.2 國內標準
1)GB/T31467.3-2015的制定對于我國規范車用動力電池系統的測試具有重要的 意義，其中的振動測試參考ISO12405，但其將SOC調整到100%。該標準規定了動力電池系統的在 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，雖然企業可以通過產品的改進滿足標準的要求，但同時也會造成結構強度過度增大，成本增加，與整車輕量化原則相違背。大量實車測試數據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號修改單的內容。其參考ECER100-02，規定動力電池系統做垂直方向的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，規范車用動力電池的測試要求。該標準的振動試驗規定將電池包或系統的SOC調整為不低于50%，振動試驗載荷根據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)是根據大量不同車型在道路行駛中的實測數據而來，更接近我國新能源車輛的動力電池系統的實際受載情況。與GB/T31467.3 和其1號修改單相比，GB38031的振動試驗更加合理。國內外動力電池系統的振動標準既有聯系，又有區別，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，電池包或系統樣品需要先進行預處理循環，以確保在振動試驗時樣品的性能處于激活或穩定的狀態，在此提出，預處理失敗（如電池容量達不到要求）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定，或者靜止時間也按廠商規定。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對比。
預處理通過的判定：
①樣品連續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5次的充放電循環都正常，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定，即先做樣品的預處理，以便做試驗前后的測試數據對比，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據變化較大，就意味著動力電池結構的固有頻率發生明顯的向下漂移，這說明電池結構的剛度發生了較大幅度的降低，結構剛度也會影響動力電池的安全。或者說對頻響數據有可疑之處，企業應盡早進行摸底和驗證試驗，在產品設計階段及時進行調整。
5、 振動試驗順序特點
在GB38031標準的第8.2條中，規定汽車行駛方向為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控示意圖。
圖4 電池包的振動試驗過程監控示意圖
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實際情況，做出合理調整，該標準的第8.2.1.4條中提到：檢測機構也可自行選擇（試驗）順序，以縮短（軸向）轉換時間。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、 某款動力電池系統振動試驗
本文選用了一款乘用車用動力電池系統，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、螺栓規格和實車裝配保持一致。控制點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據見圖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，電池包的監控參數無異常變化，外觀結構完好，無泄漏、破裂等現象。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
根據以往的振動試驗經驗，動力電池系統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(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 電池包內模組松動圖
8、 結語
隨著新國標GB38031的制定和實施，動力電池系統的測試有了合理、規范的依據，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定，安裝狀態的不同對試驗結果有很大影響。另外，隨機振動試驗未對峰值因子或削波系數做出規定，在Grms值相同的情況下，這兩個參數的不同對試驗結果也有很大影響，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。近幾年動力電池系統發展迅速，其結構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。
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