電池包結構振動疲勞加速試驗研究

盧進海，李航，王新偉

電池包結構振動疲勞加速試驗研究

盧進海，李航，王新偉

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

目前電池包開發前期可靠性驗證主要包括仿真與臺架試驗，其中關鍵在于如何定義合理的振動載荷輸入，既要保證電池包的失效模式一致，還得盡可能縮短試驗周期。基于室內臺架試驗采集某電池包與車身連接處加速度信號，經過計算獲得全壽命期疲勞損傷譜，運用損傷等效原理反算得到目標試驗周期的振動耐久試驗載荷從而實現快速驗證的目的。

沖擊響應譜；疲勞損傷譜；電池包；加速試驗

引言

當前隨著環境污染壓力的加大以及國家相關政策大力扶持，各大主機廠相繼加大力度投入電動車研發，伴隨電動車銷量穩步攀升，電動車的安全可靠性也成了關注的焦點，也是產品競爭力的關鍵因素，其中電池包可靠性又是其中的重中之重。基于整車布置和安全等方面因素考慮，電池包大多通過螺栓固定安裝在汽車地板下方，主要承受車身傳遞的加速度沖擊[1]，由于路面及速度等工況不確定性，因而往往選擇隨機載荷來進行耐久考核。目前大部分車企的載荷是采用國標或者其它行標中的功率譜密度函數，然而通過仿真與試驗的研究發現現有相關標準提供載荷工況要么過于寬松，要么過于嚴苛。如果選擇過于寬松，不利于在早期暴露結構的風險點而為今后上市車型不良口碑埋下隱患[2]；相反，一旦載荷工況過于嚴苛就會造成過試驗，不但結構失效位置和模式發生變化，且試驗成本也相應加大，因此有必要針對耐久試驗規范開發出適合本公司車型的載荷工況來對電池包進行耐久考核。

1 振動耐久臺架試驗實施

振動耐久試驗分為定頻、掃頻、隨機振動等形式，對于電池包而言采用隨機載荷加載更加符合實際工況。試驗設備選用電動振動臺，振動臺主要根據電池包的重量及峰值加速度計算出振動臺的最大推力確定合適型號。電池包按照實際裝車模式通過工裝固定在振動臺，依次加載相應的功率譜密度進行三個方向隨機振動試驗，同時在電池包與工裝底座關鍵安裝點布置加速度傳感器。振動試驗流程如圖1所示：

圖1 振動試驗流程

2 加速疲勞試驗原理

按振動試驗時間可以分為普通試驗和加速試驗。如果破壞機理是疲勞破壞，那么可以用提高應力水平的方法來加速試驗，大大節省振動試驗的時間。這種提高量級、縮短時間的振動試驗稱為加速試驗[3]。

加速試驗方法主要有加快頻率、刪小量和強化載荷幅值。基于電池包結構特性考慮，強化載荷幅值更加合適。加速疲勞試驗必須遵循兩個重要準則：（1）損傷等效；（2）失效模式不發生變化[4]。談到加速疲勞原理，有必要引入兩個重要概念：沖擊響應譜SRS和疲勞損傷譜FDS。

沖擊響應譜也稱作極限響應譜，它描述的是結構在沖擊載荷下的峰值響應隨頻率變化的曲線。計算原理是基于單自由度瞬態響應分析得到各頻率下的最大響應值，然后按頻率大小依次排序[5]。

疲勞損傷譜是基于一段時間內的載荷信號，通過近似傳遞函數換算得到位移響應信號，然后經過雨流計數和線性累積損傷計算得到一條隨頻率變化的損傷曲線，用來表征該段信號對結構造成的損傷效果[6]。

基于輸入加速度求出結構損傷，然后通過損傷反算得到振動載荷。對于諧響應而言，加速度與位移有如下關系：Displacement=Acceleration/f2，而位移與結構應力呈一定比例關系，因此在已知加速度的情況下就可以通過關系式獲得結構應力，進而獲得相對損傷值，由于只需要進行相對損傷對比，因而無需過多考慮傳遞函數的準確度[7]。具體計算原理見圖2：

圖2 沖擊響應譜與疲勞損傷譜計算原理[3]

3 振動臺加速試驗載荷譜合成

3.1 電池包載荷工況確定

為了能在開發早期掌握電池包結構耐久性能，必須首先確定電池包的典型載荷工況并獲取相應的載荷數據。和整車耐久試驗類似，最可靠的是基于用戶關聯獲得車輛的實際行駛工況，進而采集相應的載荷用來對整車及零部件耐久性能進行驗證[8]，然而時至今日整個汽車行業也沒有辦法真正地解決用戶與試驗場的關聯，原因是受駕駛習慣與路面等眾多因素影響。基于以上考慮同時兼顧更多用戶使用工況，電池包全生命周期工況選擇整車綜合耐久工況，通過試驗場各個典型路面采集加速度載荷，并根據規范進行相應編輯處理最終確定目標譜，部分路面循環次數見下表1。

表1 部分路面循環次數統計

3.2 電池包安裝點加速度信號采集

電池包由上下兩鈑金殼體外加數根橫梁支架通過焊接而成，并通過螺栓與車身縱梁固定連接。車輛行駛過程中，沖擊載荷通過螺栓安裝點傳遞至電池包，進而使得電池包產生剛性位移與彈性振動響應。基于以上分析選擇電池包與車身安裝螺栓附近的5個點采集加速度信號用于合成加速試驗譜。

3.3 加速載荷譜合成結果

將各典型路面加速度信號分別通過沖擊響應譜與疲勞損傷計算，然后按照規范循環合成得到總的疲勞損傷譜和極限沖擊響應包絡線。

圖3 電池包信號采集布置

基于損傷等效，以總的疲勞損傷譜為目標，生成一個具有代表性的試驗譜。根據耐久規范計算得到正常疲勞試驗時間為76小時，得到等效目標損傷的功率譜密度，如圖4所示：紅藍綠分別指縱向、側向、垂向。

圖4 76小時試驗目標三向功率譜密度曲線

為了達到加速試驗目的且不超出極值響應包絡，目標試驗時間設定為40小時，通過調整耐久試驗時間即可重新計算得到所需的加速載荷譜。

圖5 測點1加速載荷功率譜密度曲線

經過加速計算得到的載荷功率譜如圖5所示：結果顯示三方向載荷能量均集中在100Hz以內且各方向幅值都有了一定程度的提升，此外為了檢驗加速是否過度，同時計算得到沖擊響應譜與目標極值包絡比較，如圖6所示在20Hz以內加速載荷沖擊響應譜略微超出目標響應極值，20到100Hz之間加速載荷小于目標響應極值，因此由76小時的原試驗方案加速到40小時幾乎接近加速的極限，在條件允許的情況下可以通過批量電池包振動試驗驗證失效模式的一致性從而進一步確認加速載荷的可行性。為了方便臺架試驗輸入，可以在此基礎上對曲線進行一定的平滑處理最終得到臺架輸入載荷。

圖6 垂向沖擊響應譜與目標包絡曲線對比

4 結論

本文提出一種振動疲勞加速試驗方法：基于實測電池包加速度信號進行損傷計算，進而根據耐久試驗規范編制成目標損傷譜；基于目標損傷譜和設定試驗時間，反算獲得疲勞加速試驗加載譜，同時確保沖擊響應譜不超出電池包實際工況下響應包絡線，防止加速過度。該方法可操作性強，且對于其它汽車零部件的振動耐久試驗規范制定有一定的借鑒指導意義。

[1] 王鐵,趙富強,張瑞亮,王延忠.變速器加速疲勞分析方法分析[J].汽車工程,2013:35.

[2] 林曉斌.加速疲勞試驗的疲勞編輯技術[J].機械工程,1998.

[3] 林曉斌.振動疲勞的試驗加速與CAE分析.ncode疲勞耐久技術交流會,2015.

[4] 王芳,夏軍.電動汽車動力電池系統設計與制造技術[M].北京,科學出版社,2017:258.

[5] 楊宇振.隨機振動加速試驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2013.

[6] 尹福利,劉衛國,王濤等.某電動汽車動力電池隨機振動仿真與試驗[J].中國汽車工程學會年會論文集,2016:11.

[7] 張方,周凌波,姜金輝等.基于頻域法的隨機振動疲勞加速試驗設計[J].振動測試與診斷,2016:36.

[8] 張然治.疲勞測試分析理論與實踐[M].北京,國防工業出版社,2011: 253.

Research on Vibration Fatigue Accelerated Test of Battery Pack

Lu Jinhai, Li Hang, Wang Xinwei

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511434 )

At present, the reliability verification of the battery pack development mainly includes simulation and bench test. The key is how to define a reasonable vibration load input. It is necessary to ensure that the failure mode of the battery pack is consistent and the test cycle is shortened as much as possible. The acceleration signal of a battery pack and the body joint is collected based on the indoor bench test. The fatigue damage spectrum of the whole life is calculated and the vibration endurance test load of the target test period is obtained by back-calculation using the damage equivalent principle to achieve the purpose of rapid verification.

SRS; FDS; Battery pack; Accelerated test

U467

A

1671-7988(2019)18-12-03

U467

A

1671-7988(2019)18-12-03

盧進海，男，工程師，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，從事汽車結構耐久試驗與分析研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.004