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[新能源汽车用材] 电池包结构振动疲劳加速试验研究

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发表于 2020-6-19 10:14:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
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电池包结构振动疲劳加速试验研究

卢进海,李航,王新伟

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东 广州 511434)

【中国汽车材料网】摘 要:目前电池包开发前期可靠性验证主要包括仿真与台架试验,其中关键在于如何定义合理的振动载荷输入,既要保证电池包的失效模式一致,还得尽可能缩短试验周期。基于室内台架试验采集某电池包与车身连接处加速度信号,经过计算获得全寿命期疲劳损伤谱,运用损伤等效原理反算得到目标试验周期的振动耐久试验载荷从而实现快速验证的目的。
关键词:冲击响应谱;疲劳损伤谱;电池包;加速试验
引言
当前随着环境污染压力的加大以及国家相关政策大力扶持,各大主机厂相继加大力度投入电动车研发,伴随电动车销量稳步攀升,电动车的安全可靠性也成了关注的焦点,也是产品竞争力的关键因素,其中电池包可靠性又是其中的重中之重。基于整车布置和安全等方面因素考虑,电池包大多通过螺栓固定安装在汽车地板下方,主要承受车身传递的加速度冲击[1],由于路面及速度等工况不确定性,因而往往选择随机载荷来进行耐久考核。目前大部分车企的载荷是采用国标或者其它行标中的功率谱密度函数,然而通过仿真与试验的研究发现现有相关标准提供载荷工况要么过于宽松,要么过于严苛。如果选择过于宽松,不利于在早期暴露结构的风险点而为今后上市车型不良口碑埋下隐患[2];相反,一旦载荷工况过于严苛就会造成过试验,不但结构失效位置和模式发生变化,且试验成本也相应加大,因此有必要针对耐久试验规范开发出适合本公司车型的载荷工况来对电池包进行耐久考核。

1 振动耐久台架试验实施
振动耐久试验分为定频、扫频、随机振动等形式,对于电池包而言采用随机载荷加载更加符合实际工况。试验设备选用电动振动台,振动台主要根据电池包的重量及峰值加速度计算出振动台的最大推力确定合适型号。电池包按照实际装车模式通过工装固定在振动台,依次加载相应的功率谱密度进行三个方向随机振动试验,同时在电池包与工装底座关键安装点布置加速度传感器。振动试验流程如图1所示:
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图1 振动试验流程


2 加速疲劳试验原理
按振动试验时间可以分为普通试验和加速试验。如果破坏机理是疲劳破坏,那么可以用提高应力水平的方法来加速试验,大大节省振动试验的时间。这种提高量级、缩短时间的振动试验称为加速试验[3]。
加速试验方法主要有加快频率、删小量和强化载荷幅值。基于电池包结构特性考虑,强化载荷幅值更加合适。加速疲劳试验必须遵循两个重要准则:(1)损伤等效;(2)失效模式不发生变化[4]。谈到加速疲劳原理,有必要引入两个重要概念:冲击响应谱SRS和疲劳损伤谱FDS。
冲击响应谱也称作极限响应谱,它描述的是结构在冲击载荷下的峰值响应随频率变化的曲线。计算原理是基于单自由度瞬态响应分析得到各频率下的最大响应值,然后按频率大小依次排序[5]。
疲劳损伤谱是基于一段时间内的载荷信号,通过近似传递函数换算得到位移响应信号,然后经过雨流计数和线性累积损伤计算得到一条随频率变化的损伤曲线,用来表征该段信号对结构造成的损伤效果[6]。
基于输入加速度求出结构损伤,然后通过损伤反算得到振动载荷。对于谐响应而言,加速度与位移有如下关系:Displacement=Acceleration/f2,而位移与结构应力呈一定比例关系,因此在已知加速度的情况下就可以通过关系式获得结构应力,进而获得相对损伤值,由于只需要进行相对损伤对比,因而无需过多考虑传递函数的准确度[7]。具体计算原理见图2:
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图2 冲击响应谱与疲劳损伤谱计算原理[3]


3 振动台加速试验载荷谱合成
3.1 电池包载荷工况确定
为了能在开发早期掌握电池包结构耐久性能,必须首先确定电池包的典型载荷工况并获取相应的载荷数据。和整车耐久试验类似,最可靠的是基于用户关联获得车辆的实际行驶工况,进而采集相应的载荷用来对整车及零部件耐久性能进行验证[8],然而时至今日整个汽车行业也没有办法真正地解决用户与试验场的关联,原因是受驾驶习惯与路面等众多因素影响。基于以上考虑同时兼顾更多用户使用工况,电池包全生命周期工况选择整车综合耐久工况,通过试验场各个典型路面采集加速度载荷,并根据规范进行相应编辑处理最终确定目标谱,部分路面循环次数见下表1。
表1 部分路面循环次数统计

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3.2 电池包安装点加速度信号采集
电池包由上下两钣金壳体外加数根横梁支架通过焊接而成,并通过螺栓与车身纵梁固定连接。车辆行驶过程中,冲击载荷通过螺栓安装点传递至电池包,进而使得电池包产生刚性位移与弹性振动响应。基于以上分析选择电池包与车身安装螺栓附近的5个点采集加速度信号用于合成加速试验谱。
3.3 加速载荷谱合成结果
将各典型路面加速度信号分别通过冲击响应谱与疲劳损伤计算,然后按照规范循环合成得到总的疲劳损伤谱和极限冲击响应包络线。
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图3 电池包信号采集布置


基于损伤等效,以总的疲劳损伤谱为目标,生成一个具有代表性的试验谱。根据耐久规范计算得到正常疲劳试验时间为76小时,得到等效目标损伤的功率谱密度,如图4所示:红蓝绿分别指纵向、侧向、垂向。
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图4 76小时试验目标三向功率谱密度曲线


为了达到加速试验目的且不超出极值响应包络,目标试验时间设定为40小时,通过调整耐久试验时间即可重新计算得到所需的加速载荷谱。
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图5 测点1加速载荷功率谱密度曲线


经过加速计算得到的载荷功率谱如图5所示:结果显示三方向载荷能量均集中在100Hz以内且各方向幅值都有了一定程度的提升,此外为了检验加速是否过度,同时计算得到冲击响应谱与目标极值包络比较,如图6所示在20Hz以内加速载荷冲击响应谱略微超出目标响应极值,20到100Hz之间加速载荷小于目标响应极值,因此由76小时的原试验方案加速到40小时几乎接近加速的极限,在条件允许的情况下可以通过批量电池包振动试验验证失效模式的一致性从而进一步确认加速载荷的可行性。为了方便台架试验输入,可以在此基础上对曲线进行一定的平滑处理最终得到台架输入载荷。
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图6 垂向冲击响应谱与目标包络曲线对比


4 结论
本文提出一种振动疲劳加速试验方法:基于实测电池包加速度信号进行损伤计算,进而根据耐久试验规范编制成目标损伤谱;基于目标损伤谱和设定试验时间,反算获得疲劳加速试验加载谱,同时确保冲击响应谱不超出电池包实际工况下响应包络线,防止加速过度。该方法可操作性强,且对于其它汽车零部件的振动耐久试验规范制定有一定的借鉴指导意义。

参考文献
[1] 王铁,赵富强,张瑞亮,王延忠.变速器加速疲劳分析方法分析[J].汽车工程,2013:35.
[2] 林晓斌.加速疲劳试验的疲劳编辑技术[J].机械工程,1998.
[3] 林晓斌.振动疲劳的试验加速与CAE分析.ncode疲劳耐久技术交流会,2015.
[4] 王芳,夏军.电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M].北京,科学出版社,2017:258.
[5] 杨宇振.随机振动加速试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2013.
[6] 尹福利,刘卫国,王涛等.某电动汽车动力电池随机振动仿真与试验[J].中国汽车工程学会年会论文集,2016:11.
[7] 张方,周凌波,姜金辉等.基于频域法的随机振动疲劳加速试验设计[J].振动测试与诊断,2016:36.
[8] 张然治.疲劳测试分析理论与实践[M].北京,国防工业出版社,2011: 253.



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