電動汽車電池系統振動試驗分析

朱強 謝歡 臧鵬飛 龔明光

上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司 上海市 201805

1 引言

據公安部統計，截止2022 年6 月底，我國新能源汽車保有量已突破1000 萬輛，占汽車總量的3.23%。近年來，為了節約能源和保護環境，國家大力支持發展新能源電動汽車，制定了一系列新能源電動汽車補貼政策和汽車企業的管理制度，混合動力汽車和純電動汽車已成為企業的研發重點。歐洲已有多個國家制訂了燃油車退出計劃，電動化已成為汽車的未來趨勢。動力電池系統是電動汽車的核心部件，其可靠性直接影響到整車的安全和可靠性[1]。在車輛的行駛過程中，動力電池系統一直承受振動載荷的影響，因此抗振動性能，是動力電池系統的重要評價指標。振動試驗是檢驗動力電池系統的機械可靠性的重要方法，本文主要對動力電池系統的振動試驗方法和失效形式進行分析研究。

2 振動試驗

振動是指物體相對平衡位置進行的往復運動。通常用一些物理量(如位移、速度、加速度等)隨時間變化的函數來表征振動的時間歷程。動力電池系統所受到的振動的激勵源主要來自路面不平度和和電機的旋轉不平衡等。振動對產品的主要影響有：1）結構損壞，例如部件的變形、裂紋和斷裂等2）工作性能失靈，例如系統工作不穩定3) 工藝性能破壞，例如螺栓松動、焊點脫落等[2]。根據加載的載荷譜的不同，振動試驗一般可以分為以下幾種。

2.1 正弦振動

正弦振動是一種隨時間按正弦(或余弦)函數變化的振動，具有一定周期性。正弦振動可分為定頻振動和掃頻振動兩種類型。振動頻率始終不變的試驗叫定頻振動。一般是模擬轉速固定的旋轉機械引起的振動，或結構固有頻率處的振動。定頻振動主要用于耐共振頻率振動和耐預定頻率振動。

掃頻振動試驗的頻率將按一定的規律發生變化，根據掃頻速度的不同可以分為線性掃頻和對數掃頻兩種。線性掃頻的頻率變化是線性的，即單位時間掃過多少赫茲，單位是Hz/s 或Hz/min，這種掃描用于細找共振頻率的試驗。對數掃頻的頻率變化按對數變化，單位可以是Oct/min 或Oct/s，其中Oct 是倍頻程。對數掃描是指在相同時間掃過的頻率倍頻程數是相同的，因此在低頻掃得慢而高頻掃得快。正弦振動試驗條件包括試驗頻率范圍、試驗量級（加速度幅值大?。呙杷俣群蛼呙璩掷m時間及試驗方向。

2.2 隨機振動

隨機振動是一種時域波形雜亂，在給定時刻其瞬時值不能確定，波形隨時間無規律性的振動。產品在運輸和實際使用中所遇到的振動，絕大多數都是隨機振動，例如：車輛在道路上行駛時產生的振動，飛機噪聲使飛機結構產生的振動和大氣湍流使機翼產生振動等。因此，隨機振動試驗才能更真實反映產品的耐振動性能。

隨機振動的運動規律無法用時間的函數正確表達，因此任何時刻，其振動的幅值和頻率都無法確定，但隨機振動可以用統計學的方法進行表達。通常隨機振動在頻域進行描述，隨機振動試驗的試驗條件（嚴酷等級）一般是由下面四個組成：1）試驗頻率范圍（Hz），頻率范圍是指振動對產品產生有效激勵的最高頻率和最低頻率之間的頻率；2）功率譜密度，功率譜密度是描述振動在單位頻率上的能量分布；3）總均方根加速度（Grms），Grms是功率譜密度的頻譜在頻率范圍內的積分，即方均根值，通常用于試驗誤差的控制和檢測；4）試驗時間和方向。

2.3 混合模式振動

混合模式振動一般是正弦振動和隨機振動的疊加，如:隨機疊加隨機、正弦疊加隨機、正弦疊加隨機疊加隨機等。

3 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。

3.1 國外標準

1)USABC 1996《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)SAE J2380 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[3]，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SAE J2929 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)UN 38.3 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)ISO 12405 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/T 31467.3-2015 參考引用。

5)ECE R100-02 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。

3.2 國內標準

1)GB/T 31467.3-2015 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ISO 12405，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/T 31467.3-2015 的 2017 年 第1 號修改單。GB/T 31467.3 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ECE R100-02，規定動力電池系統做垂直方向的3h 掃頻試驗。

3)GB 38031 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/T 31467.3 和其1 號修改單相比，GB 38031 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[1]，很多是有ISO 12405 和SAE J2380 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。

表1 振動試驗測試標準比較

4 動力電池系統的振動試驗

4.1 振動臺

振動試驗一般是使用振動臺完成的，振動臺有機械振動臺、液壓振動臺和電動振動臺等。電動振動臺是應用比較廣泛的一種類型，其工作頻率寬，振動波形好，控制和操作方便，一般可滿足2Hz 以上的振動試驗。電動振動臺的工作示意圖見圖1，試驗條件通過電腦的控制軟件設置，經振動控制儀發送驅動信號給功率放大器，信號經放大后驅動振動臺開始振動，加速度傳感器采集控制點的振動信號并反饋給控制儀，控制軟件會根據反饋信號自動調整驅動信號，以使樣品所受的振動載荷與目標譜一致。振動試驗前，需要核對振動臺的能力是否符合試驗的要求，振動臺的主要參數有最大推力、最大加速度、最大速度、最大位移和頻率范圍等。

圖1 振動臺試驗原理示意圖

4.2 試驗夾具

動力電池系統一般是通過專門設計的夾具固定在振動臺上。夾具的主要作用是將樣品固定在振動臺臺面上，并將振動臺的振動載荷不失真的傳遞到試驗樣件上。因此對動力電池系統的工裝有以下幾個方面要求。

1）夾具要盡可能的模擬電池系統在整車上的安裝狀態。動力電池系統在整車上的安裝方式通常有平鋪式、懸掛式和壓裝式。電動客車和專用車所用電池系統大多數是標準箱式電池包，通常是平鋪在底盤上并通過螺栓固定，大多數乘用車所用的電池系統是通過掛耳懸掛在底盤上，還有一些快換類型的電池系統是通過壓緊裝置壓緊在車輛上的。因此，動力電池系統與工裝的固定方式、螺栓規格和扭矩要求要與實車保持一致，才能模擬實車受載情況。

2）夾具的剛度和質量。電池系統的夾具要有足夠的剛度，以保證振動載荷的傳遞不失真，但同時要保證質量盡量小，夾具的重量過重會影響到振動臺的承載能力和推力，因此夾具的制造要選擇合適材料和工藝。

3）夾具的固有頻率。夾具的一階固有頻率要大于試驗的頻率范圍，以免振動時夾具發生共振，影響樣品的受載情況。在整個試驗頻率范圍內，夾具的頻響特性要平坦，還應避免夾具與樣品發生共振耦合。

4）夾具的側向運動要盡量小。

4.3 傳感器的布置

振動試驗的傳感器通常分為控制點和監控點兩種，監控點的傳感器只用于監控測試數據，而控制點傳感器的反饋數據則參與驅動信號的調整，使控制點的振動量級達到目標值。根據控制點數量的不同，可以分為單點控制和多點控制，多點控制的策略可以是最小值、最大值或算術平均值控制。控制點一般選擇在動力電池包和夾具的固定點附近，以使目標振動譜準確的傳遞到樣品上。

4.4 試驗監控

試驗過程中要實時監控電池包的狀態，重點監控最大單體電壓、最小單體電壓、最大溫度、總壓和絕緣狀態等參數，如果關鍵參數發生變化，例如電壓出現壓降等，需要立即停止振動，檢查電池包的狀態。振動過程中，還需要時時觀察電池包的外殼結構和振動聲音的變化。

4.5 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。振動試驗前，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4～圖6。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2 Z 方向振動前掃頻

圖3 Z 方向振動后掃頻

圖4 Z 方向振動PSD

圖5 Y 方向振動PSD

圖6 X 方向振動PSD

5 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7 所示；2）電池包的掛耳或嵌套螺帽開裂，見圖8 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7 電池包下底殼開裂圖

圖8 電池包掛耳開裂圖

圖9 電池包內模組松動圖

6 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，但本人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。