基于虛擬試驗場的電動汽車動力電池包隨機振動試驗開發研究

冷振華

摘 要：電動車動力電池一般布置在汽車下部車身，在車輛完整的生命周期內承受路面傳遞的振動激勵，因此振動試驗是電池包設計開發中重要的一個環節。目前主流主機廠和電池包生產廠家在進行振動試驗時一般直接引用國內外主流電池包標準中指定的振動試驗標準，但電池包承受的振動激勵的大小與不同車型的車身和懸架結構強相關，這就導致振動試驗的標準無法模擬電池包在整車上的真實使用情況。本文介紹了一種基于虛擬試驗場技術，可以無需試驗樣車僅通過仿真計算獲得電池包實際載荷譜，然后基于損失等效原理獲得電池包振動試驗所需的PSD的方法，可以在項目前期開發出與整車耐久目標相匹配的電池包振動耐久試驗，提高驗證的精度。

關鍵詞：虛擬試驗場 電池包 振動試驗

Abstract：The electric vehicle power battery is generally arranged in the lower body of the vehicle， and bears the vibration excitation transmitted by the road during the complete life cycle of the vehicle. Therefore， the vibration test is an important part of the design and development of the battery pack. At present， mainstream OEMs and battery pack manufacturers generally directly refer to the vibration test standards specified in the domestic and foreign mainstream battery pack standards when conducting vibration tests， but the magnitude of the vibration excitation experienced by the battery pack is strongly related to the body and suspension structure of different models， which makes the vibration test standard unable to simulate the real use of the battery pack on the vehicle. This paper introduces a method based on the virtual test field technology， which can obtain the actual load spectrum of the battery pack through simulation calculation without the need for a test vehicle， and then obtain the PSD required for the vibration test of the battery pack based on the loss equivalence principle， which can be developed in the early stage of the project. A battery pack vibration durability test that matches the vehicle's durability target is carried out to improve the verification accuracy.

Key words：virtual proving ground， battery pack， vibration test

1 引言

當前隨著國家政策的支持以及電機、電池和電控三電技術的成熟發展，各大主機廠和新勢力均加大了對電動智能汽車的布局和研發投入，并且銷量占比也在持續增大。電池作為電動智能汽車重要的一個組成部分，尤其近些年電池的能量密度越來越高，對電池的可靠性要求也越來越越關注，其中振動試驗是電池包開發中驗證可靠性的一個重要環節。在電池的振動試驗中電池包的氣密性，絕緣，結構穩定性等均會被進行重點考察。

目前主流主機廠和電池包生產廠家在進行振動試驗時一般直接引用國內外主流電池包標準中指定的振動試驗標準，但電池包承受的振動激勵的大小與不同車型的車身和懸架結構強相關，這就導致振動試驗的標準無法模擬電池包在整車上的真實使用情況。部分電池包和整車廠家也基于試驗樣車在試驗場采集電池包載荷譜制定電池包振動試驗標準，但該方案只能在試驗樣車制作完成后進行，無法在項目開發前期提供有效的設計輸入和進行相應的仿真試驗校核。因此有必要建立一種方法可以在項目前期開發出與整車耐久目標相匹配的電池包振動耐久試驗，提高驗證的精度。

本文介紹了一種基于虛擬試驗場技術，無需試驗樣車在開發前期計算獲得電池包實際載荷譜，然后基于損失等效原理獲得電池包振動試驗所需的PSD的方法。

2 電池包振動工況開發

在整車項目的開發中，整車耐久試驗是作為驗證整個生命開發周期內的產品耐久性的重要試驗，其試驗標準的開發一般遵循以下思路：首先基于用戶關聯獲取潛在用戶的車輛使用習慣，包括駕駛習慣，日常使用的車輛載重情況，行駛路面分布等信息。然后采集可覆蓋用戶不同使用習慣的車輛載荷作為耐久試驗開發的目標。基于此損傷目標在試驗場內選擇不同的特征路面和定義相應的循環次數開發對應的整車耐久試驗。電池包振動試驗的開發以整車耐久試驗的要求為基礎，選擇其中對電池激勵有重要貢獻的路面作為電池包振動試驗的相應工況，通過虛擬試驗場技術對各個典型路面進行振動激勵的計算，并根據循環次數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：

3 電池包振動激勵計算

3.1 虛擬試驗場（VPG）技術

虛擬試驗場（VPG）技術是利用虛擬車輛替代物理車輛來仿真整車物理實驗的CAE仿真技術，其通過掃描試驗場不同的試驗路面，然后在動力學軟件中建立三維路面模型和整車動力學模型，驅動整車模型在不同路面進行行駛，以模擬整車在實際路面承受的激勵和產生的響應，目前已廣泛應用于零部件開發中所需的載荷輸入的提取等相關工作中。

3.2 虛擬試驗場

通過與第三方公司合作，使用專業的掃描設備獲得鹽城試驗場不同特征路面的不平度數據，三維ie掃描精度可達1mm，獲得的數據通過濾波，去均勢項等處理后生成可由ADAMS識別的路面文件。

3.3 整車多體動力學模型的建立

整車多體動力學模型直接影響載荷計算的精度，決定了是否能獲得準備的電池包振動載荷。首先根據設計定義包括硬點，零件質量和轉動慣量，彈性件剛度，減震器阻尼等在ADAMS中建立整車模型，裝配F-tire輪胎模型，輪胎模型由實測獲得。電池包在車輛行駛中對車身扭轉敏感度很高，在ADAMS模型中上車體用柔性體模擬并與下車體進行裝配。整車模型裝配完成后在電池包所有安裝點和其他剛性較大位置設定加速度request輸出，獲得車輛在行駛時電池包的振動響應，作為計算電池包振動PSD譜的基礎。

3.4 電池包加速度信號采集

電池包一般有電池包殼體和內部密封的電芯，控制器，冷卻系統和高壓線路組成。目前主流的電池包安裝形式一般通過螺栓與車身縱梁固定連接。車輛行駛過程中，路面不平度產生的激勵經輪胎、懸架和車身傳遞至電池包，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6個點采集加速度信號用于合成加速試驗譜。在MBS模型中設定加速度輸出，使用虛擬試驗技術驅動整車不同特征路面行駛，獲得加速度載荷譜。

4 電池包振動試驗PSD譜合成

4.1 加速疲勞試驗原理

基于所有路面采集的電池包振動數據時間很長，一般可達數百小時，因此必須基于原始數據進行加速處理，提高測試效率。

通常加速試驗的開發是通過提高激勵的幅值，加快激勵的頻率來節省試驗的時間。對振動試驗來講，一般通過提高所有頻率段內的功率譜密度來實現加速。

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。

損傷等效，即樣品在加速試驗中受到激勵時對樣品產生的損傷與目標保持一致。失效模式不發生變化是指加速試驗所引起的產品的失效必須與產品在整車實際使用時產生的失效保持一致。

在振動試驗中一般引用采用沖擊沖擊響應譜SRS，極限響應譜ERS和疲勞損傷譜FDS的概念進行損傷等效的計算。

沖擊響應譜SRS也稱作極限響應譜，是輸入激勵（加速度）經過多個固有頻率不同的單自由度系統頻響函數濾波后得到的最大響應加速度或位移的總結果。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。極限響應譜ERS描述常規振動載荷的期望相應。

疲勞損傷譜FDS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。獲得電池包實車的振動載荷譜后計算所有路面累計的損傷FDS作為振動試驗制定的損傷目標，然后基于損傷等效原則獲得縮短周期后的PSD譜。目標PSD譜所計算的FDS應與損傷目標保持一致，同時ERS不能超出原始SRS。具體計算流程見圖5。

4.2 加速振動PSD譜指定

將各典型路面加速度信號分別按照上述計算流程獲取沖擊響應譜與相應的疲勞損傷，然后按照不同路面的規范循環進行外推合成得到總的疲勞損傷譜和極限沖擊響應包絡線。以總的疲勞損傷譜為目標，設定所需的試驗時長，根據損傷等效生成具有代表性的振動試驗PSD譜，同時確保極限沖擊響應在原始的包絡線以下。通常振動試驗的單方向試驗時間為12小時，如圖6所示：紅色為實車加速后的振動試驗PSD譜，其余為標準PSD譜。

5 結語

本文介紹了一種電池包振動試驗的開發方法：在開發早期基于虛擬試驗場技術獲得電池包在實際車輛使用中承受的振動激勵時域信號，然后根據整車耐久試驗循環計算損傷目標，在ncode軟件中編制振動試驗開發流程，設定所需的試驗時間，計算獲得加速試驗所需的振動試驗PSD譜。該方法可在項目前期提供電池包設計的振動載荷和仿真校核的輸入，對于其它汽車零部件的振動耐久試驗規范制定也有一定的借鑒指導意義。

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