基于四立柱的電池包道路模擬試驗(yàn)方法研究①

王仕雄，張本松

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系，安徽 宣城 242000)

0 引 言

如何設(shè)計(jì)制造出優(yōu)質(zhì)而又安全的電動(dòng)汽車成為各大汽車廠商關(guān)注的重點(diǎn)，電池包作為電動(dòng)汽車的重要部分，其良好的結(jié)構(gòu)耐久性能決定著整個(gè)電動(dòng)汽車的安全性能[1]。

現(xiàn)階段大家對(duì)電池包的疲勞耐久性能尚未給予足夠的重視，電池包的耐久振動(dòng)試驗(yàn)開展并不成熟。絕大多數(shù)汽車廠商的電池振動(dòng)試驗(yàn)依據(jù)GB/T 3146.7——2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。眾多的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致不同的廠商對(duì)于試驗(yàn)方法的條件無(wú)法統(tǒng)一，且個(gè)別標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件、工況與實(shí)際工作環(huán)境相差較大。

介紹了一種基于四立柱的電池包道路模擬試驗(yàn)方法。以國(guó)內(nèi)某合資汽車品牌電動(dòng)汽車作為研究對(duì)象，在專業(yè)試車場(chǎng)進(jìn)行道路行駛的振動(dòng)載荷譜采集。以電池包各加速度通道作為重點(diǎn)控制通道，結(jié)合四立柱設(shè)備對(duì)整車進(jìn)行迭代試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后通過對(duì)比道路試驗(yàn)車輛電池包的失效形式，證明此方法的可靠性。

1 信號(hào)采集

電池包的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)選取整車綜合耐久工況，通過標(biāo)準(zhǔn)試車場(chǎng)的典型路面進(jìn)行載荷信號(hào)采集，并根據(jù)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選編輯，通過復(fù)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)，達(dá)到電池包振動(dòng)耐久試驗(yàn)的目的[2]。部分路面循環(huán)次數(shù)見下表1。

表1 部分路面循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

汽車的行駛過程中路面不平度產(chǎn)生的激勵(lì)，通過懸架傳遞到車身然后傳遞給電池包[3-4]。因此選取電池包四個(gè)角落以及正中心共五個(gè)點(diǎn)位布置三向加速度計(jì)進(jìn)行加速度信號(hào)的采集，如圖1。

圖1 電池包傳感器布置圖

2 信號(hào)分析與編輯

信號(hào)分析主要方式為觀察功率譜密度曲線在頻域上的分布以及相對(duì)能量計(jì)算。通過功率譜密度曲線可以分析得到電池包振動(dòng)激勵(lì)貢獻(xiàn)較大的主要頻段；通過相對(duì)能量計(jì)算對(duì)比可以得到電池包振動(dòng)激勵(lì)貢獻(xiàn)較大的主要方向。

相對(duì)能量計(jì)算公式(1)：

(1)

式中，E是相對(duì)能量，a(t)為加速度信號(hào)。

選取特征路面形成下表相對(duì)能量計(jì)算結(jié)果，根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果可知，Z方向的相對(duì)能量遠(yuǎn)大于X，Y方向，基本在X，Y方向能量的300%以上。再結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，車身側(cè)的振動(dòng)激勵(lì)主要來源與垂向激勵(lì)，因此可以認(rèn)為電池包所受到的疲勞損傷主要來自于路面的垂向激勵(lì)。后面對(duì)于加速度信號(hào)的編輯處理及迭代試驗(yàn)也只需要選取Z方向的信號(hào)即可。

表2 信號(hào)能量計(jì)算表

圖2-圖3為部分通道的功率譜密度曲線圖，由曲線圖可知，電池包加速度信號(hào)的激勵(lì)能量主要集中在0-50Hz，而實(shí)際臺(tái)架難以復(fù)現(xiàn)0.5Hz以下的低頻激勵(lì)。因此在迭代及臺(tái)架試驗(yàn)過程中需要控制的頻段即為0.5-50Hz[5]。

本試驗(yàn)研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、溶液鉬濃度、氨鉬比（摩爾比）、攪拌速度、機(jī)械球磨和結(jié)晶時(shí)pH值等因素對(duì)產(chǎn)品直收率與物理性能（表面形貌、粒度）的影響。

圖2 左前加速度功率譜密度曲線

圖3 中心加速度功率譜密度曲線

完成以上分析后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行迭代前的基本編輯，包括，去除偏置項(xiàng)、濾波、重采樣、剪切等等。編輯完成的信號(hào)稱為目標(biāo)信號(hào)。

3 信號(hào)迭代

信號(hào)迭代主要包括傳遞函數(shù)計(jì)算、驅(qū)動(dòng)迭代、迭代效果判斷3個(gè)部分。

3.1 傳遞函數(shù)

初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)的獲取，需要通過傳遞函數(shù)與目標(biāo)信號(hào)的計(jì)算得來。因此在迭代前，首先需要計(jì)算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[6]。傳遞函數(shù)的求解方法如式(2)。

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

(2)

式中：H(f)為系統(tǒng)傳遞函數(shù)；Gyx(f)為響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)的互功率譜,Gxx(f)為激勵(lì)信號(hào)的自功率譜。

3.2 迭代及評(píng)價(jià)

如果整個(gè)系統(tǒng)的傳遞關(guān)系線性度良好，則可使用式(3)計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)。

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

(3)

式中：X(f)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)譜函數(shù)；Y(f)為目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)譜函數(shù)。

實(shí)際的試驗(yàn)過程中，需要通過迭代的方法得到能使響應(yīng)信號(hào)逐步接近目標(biāo)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。迭代過程如圖4.

圖4 迭代流程圖

迭代的效果可通過以下幾種方式評(píng)價(jià)。

均方根誤差是衡量各通道迭代收斂情況的參數(shù)，其計(jì)算公式為式(4)：

(4)

式中：ε為均方根誤差，RMS(yt(t))為響應(yīng)信號(hào)均方根值，RMS(yd(t))為目標(biāo)信號(hào)均方根值。

圖5為迭代過程中的均方根值誤差曲線圖，通過8次試驗(yàn)迭代，均方根誤差逐步下降，所有的加速度通道均方誤差最終都收斂到20%以內(nèi)，響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)較接近較好。

圖5 均方根值誤差收斂曲線

圖6-圖7挑選了兩個(gè)具有代表性的加速度通道進(jìn)行迭代前后的功率譜密度曲線對(duì)比。通過對(duì)比響應(yīng)與目標(biāo)信號(hào)的功率譜，可以發(fā)現(xiàn)，兩條曲線十分接近，迭代效果較為理想。

圖6 左前加速度功率譜密度對(duì)比

圖7 中心加速度功率譜對(duì)比

表3列舉出了各垂向通道最終響應(yīng)加速度能量與目標(biāo)信號(hào)能量計(jì)算結(jié)果。最終響應(yīng)與目標(biāo)信號(hào)的能量比結(jié)果較好(80%～120%)，滿足迭代要求。

表3 信號(hào)能量對(duì)比表

由以上幾種評(píng)價(jià)方式可知，迭代結(jié)果較為理想，滿足耐久試驗(yàn)的要求。

4 耐久試驗(yàn)

得到理想的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后即可執(zhí)行試驗(yàn)，表1中的路面循環(huán)次數(shù)即為每個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的重復(fù)次數(shù)。耐久試驗(yàn)后，檢查樣件，發(fā)現(xiàn)電池包鈑金焊接點(diǎn)出現(xiàn)裂紋，固定螺栓扭矩變小，與實(shí)際整車道路耐久試驗(yàn)過程中電池包的失效模式一致，證明了本試驗(yàn)方法的有效性。

5 結(jié) 論

總結(jié)了基于四立柱的電池包道路模擬試驗(yàn)方法，論述了從信號(hào)采集、信號(hào)編輯、信號(hào)迭代到耐久試驗(yàn)完整的臺(tái)架試驗(yàn)方法。精確復(fù)現(xiàn)特定車型特定電池包產(chǎn)品在道路行駛過程中的實(shí)際振動(dòng)工況，與現(xiàn)行的電池包振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法相比，試驗(yàn)精度和試驗(yàn)可靠性都更高。同時(shí)對(duì)很多主機(jī)廠、零部件廠的電池包振動(dòng)試驗(yàn)具有一定的借鑒指導(dǎo)意義。