涂洪成，周時國，王　帥，尹利超

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061）

車載動力電源系統振動試驗研究

涂洪成，周時國，王帥，尹利超

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061）

車載動力電源系統是電動汽車的重要組成部分，電源系統的耐振動性能直接關系到整車的安全和壽命。本文對動力電源振動試驗的相關標準進行了介紹，并對某款車用純電動的動力電源系統進行振動試驗研究，給出了試驗方法和相關結論。

動力電源系統；振動試驗；試驗標準

作為電動汽車的重要組成部分，動力電源系統的耐振動性能的好壞直接決定了整車的安全性以及使用壽命［1］。動力電源系統振動試驗的目的是模擬電源系統在汽車行駛過程中可能出現的振動效果，提前預測可能出現的故障和失效模式，從而在設計及裝車過程中加以避免［2-4］。本文分析了國內外動力電源系統振動試驗標準，對某款純電動客車用電源系統進行了隨機振動測試，并對測試結果進行了分析和總結。

1　動力電源系統振動標準介紹

與電源系統振動測試有關的國內外標準［5-8］如下。

1.1國外標準

1）ISO 12405。目的是檢測由于振動可能引起的故障，測試由于道路不平順的隨機激勵而引起的隨機振動。確定由振動導致的電器故障和失效。該標準規(guī)定振動前后測試電源系統的容量，測試過程中電源系統SOC調整到50%。根據受試樣品數量的不同，振動時間也不同，樣品數量為1/2/3個，分別對應的振動時間為21 h/15 h/12 h。測試過程溫度范圍為-40℃～75℃。ISO 12405振動圖譜見文獻［6］。

2）SAE J2380-1998和SAE J292-2011。SAE J2380 -1998的測試目的是考察單箱電池的耐振動性能；SAE J292-2011的測試目的是通過測試電源系統的耐振動性能確保電池組能夠在EV或HEV中安全地應用。SAE J292-2011中規(guī)定可以做整個電源系統振動測試，也可以作為整車子系統的項目測試。作為電源系統測試，要求電池充滿電，環(huán)境溫度和濕度未做限制，但是通常按照振動、溫度、工況三個綜合條件同時進行，頻率范圍為10Hz～190Hz。測試要求電源系統測試前、測試中、測試后1h之內無漏液、無漏氣、無爆炸，高壓絕緣不低于100Ω/V。測試后開路電壓不低于測試前開路電壓的90%。試驗后，電池系統內部元器件以及高壓導線沒有損壞或松動。電源系統作為子系統進行振動試驗時，電池箱或電池模組內部零部件通過電氣或機械連接，必須固定可靠，以保證隨機振動可以傳遞到這些部件上。同時，作為整車的一部分進行測試時，電池的溫度和SOC按照常態(tài)進行，不做要求。SAEJ2380電源系統振動圖譜見文獻［7］。

3）美國先進電池聯合會USABC。USABC的電源系統振動試驗標準對電源系統振動測試的目的是測試長時間振動對電池性能的影響，完善電池性能，改進電池的設計，保證電池的正常使用。該標準參考SAE J2380標準制定，USABC規(guī)定了正弦振動和隨機振動兩種振動方式。使用正弦掃面僅僅需要24 h就能完成，但是它認為隨機振動更有意義。隨機振動分為正常測試和可選測試兩部分，正常測試需要92.5 h，可選測試需要38.1 h。同時標準對試驗的電源系統SOC，均方根加速度進行了規(guī)定，并給出了隨機振動的振動譜圖。FreedomCAR功率輔助型混合電動車電池測試手冊中振動測試也是參考SAEJ2380中的振動標準。該標準規(guī)定了電源系統需要充滿電進行試驗。

4）美國保險商實驗室UL 2580-2011。該標準制定的目的在于保證電源系統安全、可靠的應用以及避免對人造成傷害。它參考SAE J2380制定，同時它規(guī)定所有方向的振動試驗，電池SOC都應該在80%以上。振動試驗進行時需要監(jiān)控試驗中的開路電壓和溫度信息。測試后的電源系統需要靜止8～24 h。如果放置沒有問題的話，需要再做一個充放電循環(huán)，才可視為正常電池使用。電源系統振動方案具體見文獻［8］。

5）歐標EN 60086-4-2007。該標準目的是模擬車輛運輸途中的振動效果，測試條件基于國際民航組織ICAO設定的振動范圍。它規(guī)定單體電池或電池組應當牢靠地固定在振動平臺上，不得扭曲，以真實傳遞運輸過程中的振動效果。振動方式為正弦掃描，x/y/z各掃描一次為一個周期，一個掃描周期為15min，重復12次循環(huán)。

1.2國內標準

1）GB/Z 18333.1［9］和QC/T 743-2006［10］。它們是按照正弦振動試驗來制定的標準，振動時只有z軸方向的振動，沒有規(guī)定水平方向的振動。同時這兩項標準只針對單體電池或電池模組，沒有整個電源系統的振動標準。

2）GB/T 31467.3-2015［11］。該標準規(guī)定電池按照隨機振動的方法進行試驗，試驗方法參照ISO12405中關于振動試驗的規(guī)定。同時規(guī)定了相關電子裝置的振動試驗方法，即在10Hz～1 000 Hz范圍內進行隨機振動試驗。均方根加速度值為27.8m/s2。

由以上標準可以看出，電源系統的測試標準大多是從ISO 12405和SAE J2380標準中演化而來，由于測試目的不同，不同的測試標準對電池的SOC狀態(tài)、環(huán)境溫度及測試時間進行了相應的修訂。如SOC狀態(tài)，有50%（ISO）、80%（UL）和100%（USABC和FreedomCAR）幾種。

本文的振動試驗方法按照國標GB/T 31467.3-2015規(guī)定方法，同時參考了ISO12405和SAE J2380的振動標準，采用滿電態(tài)的測試方案，并根據客車在運行中的振動特性，進行了電源系統的振動試驗。

2　電源系統的振動試驗

通過參考ISO12405和SAE J2380關于電源系統振動的試驗標準，對某款純電動客車用電源系統進行了振動試驗。為了檢測電源系統的耐振動強度［12-14］，對振動后的電源系統機械和電氣強度，箱體氣密性以及絕緣性能進行了測試。

2.1試驗準備及傳感器的設置

本試驗用電源系統（518.4V，172Ah）由6個結構相同、串并聯方式一樣的電池包（172.8V，86Ah）組成。按照視同原則，如果單個電池包能夠滿足振動要求，其余電池包也可以視同滿足要求。因此，本試驗針對單個電池包進行了振動情況驗證。本試驗的主要設備有Digatron電池性能測試設備、高低溫環(huán)境箱，振動臺、熱交換器、功率放大器、振動控制儀、電荷放大器等。首先，將電池包借助夾具牢固固定在振動臺上，不得扭曲，以真實傳遞運輸過程中的振動效果。試驗開始前和結束后用0.5 g的加速度對x/y/z方向上掃頻，頻率范圍為5Hz～200Hz，掃頻速率為10 Oct/min。

在振動臺上布置2個英邁克加速度傳感器取平均值按照振動的要求輸出；夾具上布置2個英邁克加速度傳感器，監(jiān)控振動從振動臺傳遞到夾具的實際振動值；電池的關鍵部位（電池包內部電池模組連接銅排及上下密封蓋固定位置）上布置6個英邁克加速度傳感器。如圖1所示。

2.2試驗方法及步驟

振動試驗開始前需要對電池進行性能測試，包括容量、電壓、絕緣電阻等。然后將電池包在室溫下以43 A電流恒流充電至100%SOC。待充滿電靜置2 h后再將電池包固定到振動臺操作臺面上，如圖1所示。

振動試驗按照先z方向，再y方向，最后x方向的順序進行，振動頻率范圍為10 Hz～200Hz。z軸、y軸、x軸加速度均方根和振動時間分別為1.44 grms/21 h，1.23 grms/21 h、0.96 grms/21 h。振動譜如圖2所示。

為了模擬電源系統真實的工作溫度環(huán)境，把電源系統放在溫度箱中，在不同時間改變電池包的環(huán)境溫度。溫度與時間的對應關系如圖3所示。

合格判定依據為試驗過程中無異響，無噪聲；試驗前后電池容量無明顯差異；電池包電壓及絕緣性能無異常；試驗結束后樣品外觀和內部無斷裂、扭曲、破裂等機械損壞現象，氣密性合格；不漏液，不起火，不爆炸。

2.3試驗結果及分析

z、y、x軸振動圖譜如圖4-圖6所示，圖中振動曲線上下4條線分別為加速度停機上線，加速度報警上線，加速度報警下線，加速度停機下線。一般加速度停機上下線為設定加速度的±6 dB，加速度報警上下線為設定加速度的±3 dB。

由圖4-圖6可以看出，電源系統的振動在設定值的合理范圍內。實驗結束后，電池箱體外觀完好，無機械性損壞；箱體內部模組及相關線束牢固無磨損，結構無機械性損壞，箱子底部平整無磨損和破裂現象。向電池箱體內部充氣，充氣壓力為3.033 kPa，待平衡后測量箱體內部氣壓為2.980 kPa，氣密性合格；由圖7和圖8可以看出，振動試驗前電池包容量為86.3 Ah，振動后電池包容量為85.4Ah，恢復容量為86.7Ah。充放電曲線電壓電流無跳變現象。使用絕緣表以1000V測量的電池箱體4個地方的絕緣電阻值均大于100Ω/V，電池的絕緣性能完好。結果表明，該電源系統能夠滿足z軸、y軸、x軸1.44 grms、1.23 grms、0.96grms連續(xù)振動21h試驗要求。

3　結束語

電源系統對整車性能有至關重要的直接影響，隨著電動汽車的大規(guī)模應用，對電源系統的振動性能需要做進一步的深入研究。目前各試驗標準對試驗條件如溫度、電源系統SOC、振動能量大小有相對較大的差異，需要根據實際情況選擇相應的方案進行測試。同時受測試產品本身性能影響，在做振動試驗操作時，一定要首先保證電源系統的安全，固定牢固可靠，并在此基礎上選擇合適的試驗參數，確保試驗結果真實地反應出電源系統本身的性能。

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修改稿日期：2016-03-16

Research on Vibration Experiment of Electric Vehicle Power Battery System

Tu Hongcheng，Zhou Shiguo，Wang Shuai，Yin Lichao
（Zhengzhou Yutong Bus Co.，Ltd，Zhengzhou 450061，China）

The safety and life of a electric vehicle directly relates to the performance of the power battery system，which is an important part of the electric vehicle.The authors introduce the standards of vibration test for the power battery system，and do the experimental research on the power battery system vibration of a pure electric vehicle.

power battery system；vibration experiment；the standard of experiment

U463.63

A

1006-3331（2016）03-0052-04

涂洪成（1983-），男，工程師；主要從事動力電源測試分析工作。