王仕雄，張本松

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系，安徽 宣城 242000)

0 引 言

如何設(shè)計制造出優(yōu)質(zhì)而又安全的電動汽車成為各大汽車廠商關(guān)注的重點(diǎn)，電池包作為電動汽車的重要部分，其良好的結(jié)構(gòu)耐久性能決定著整個電動汽車的安全性能[1]。

現(xiàn)階段大家對電池包的疲勞耐久性能尚未給予足夠的重視，電池包的耐久振動試驗(yàn)開展并不成熟。絕大多數(shù)汽車廠商的電池振動試驗(yàn)依據(jù)GB/T 3146.7——2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。眾多的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致不同的廠商對于試驗(yàn)方法的條件無法統(tǒng)一，且個別標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件、工況與實(shí)際工作環(huán)境相差較大。

介紹了一種基于四立柱的電池包道路模擬試驗(yàn)方法。以國內(nèi)某合資汽車品牌電動汽車作為研究對象，在專業(yè)試車場進(jìn)行道路行駛的振動載荷譜采集。以電池包各加速度通道作為重點(diǎn)控制通道，結(jié)合四立柱設(shè)備對整車進(jìn)行迭代試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后通過對比道路試驗(yàn)車輛電池包的失效形式，證明此方法的可靠性。

1 信號采集

電池包的振動疲勞試驗(yàn)選取整車綜合耐久工況，通過標(biāo)準(zhǔn)試車場的典型路面進(jìn)行載荷信號采集，并根據(jù)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)對信號進(jìn)行篩選編輯，通過復(fù)現(xiàn)目標(biāo)信號，達(dá)到電池包振動耐久試驗(yàn)的目的[2]。部分路面循環(huán)次數(shù)見下表1。

表1 部分路面循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計

汽車的行駛過程中路面不平度產(chǎn)生的激勵，通過懸架傳遞到車身然后傳遞給電池包[3-4]。因此選取電池包四個角落以及正中心共五個點(diǎn)位布置三向加速度計進(jìn)行加速度信號的采集，如圖1。

圖1 電池包傳感器布置圖

2 信號分析與編輯

信號分析主要方式為觀察功率譜密度曲線在頻域上的分布以及相對能量計算。通過功率譜密度曲線可以分析得到電池包振動激勵貢獻(xiàn)較大的主要頻段；通過相對能量計算對比可以得到電池包振動激勵貢獻(xiàn)較大的主要方向。

相對能量計算公式(1)：

(1)

式中，E是相對能量，a(t)為加速度信號。

選取特征路面形成下表相對能量計算結(jié)果，根據(jù)表2的計算結(jié)果可知，Z方向的相對能量遠(yuǎn)大于X，Y方向，基本在X，Y方向能量的300%以上。再結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，車身側(cè)的振動激勵主要來源與垂向激勵，因此可以認(rèn)為電池包所受到的疲勞損傷主要來自于路面的垂向激勵。后面對于加速度信號的編輯處理及迭代試驗(yàn)也只需要選取Z方向的信號即可。

表2 信號能量計算表

圖2-圖3為部分通道的功率譜密度曲線圖，由曲線圖可知，電池包加速度信號的激勵能量主要集中在0-50Hz，而實(shí)際臺架難以復(fù)現(xiàn)0.5Hz以下的低頻激勵。因此在迭代及臺架試驗(yàn)過程中需要控制的頻段即為0.5-50Hz[5]。

本試驗(yàn)研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、溶液鉬濃度、氨鉬比（摩爾比）、攪拌速度、機(jī)械球磨和結(jié)晶時pH值等因素對產(chǎn)品直收率與物理性能（表面形貌、粒度）的影響。

圖2 左前加速度功率譜密度曲線

圖3 中心加速度功率譜密度曲線

完成以上分析后，需要對信號進(jìn)行迭代前的基本編輯，包括，去除偏置項(xiàng)、濾波、重采樣、剪切等等。編輯完成的信號稱為目標(biāo)信號。

3 信號迭代

信號迭代主要包括傳遞函數(shù)計算、驅(qū)動迭代、迭代效果判斷3個部分。

3.1 傳遞函數(shù)

初始驅(qū)動信號的獲取，需要通過傳遞函數(shù)與目標(biāo)信號的計算得來。因此在迭代前，首先需要計算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[6]。傳遞函數(shù)的求解方法如式(2)。

H(f)=Gyx(f)Gxx(f)-1

(2)

式中：H(f)為系統(tǒng)傳遞函數(shù)；Gyx(f)為響應(yīng)信號和激勵信號的互功率譜,Gxx(f)為激勵信號的自功率譜。

3.2 迭代及評價

如果整個系統(tǒng)的傳遞關(guān)系線性度良好，則可使用式(3)計算得到驅(qū)動。

X(f)=H(f)-1Y(f)

(3)

式中：X(f)為驅(qū)動信號譜函數(shù)；Y(f)為目標(biāo)響應(yīng)信號譜函數(shù)。

實(shí)際的試驗(yàn)過程中，需要通過迭代的方法得到能使響應(yīng)信號逐步接近目標(biāo)信號的驅(qū)動。迭代過程如圖4.

圖4 迭代流程圖

迭代的效果可通過以下幾種方式評價。

均方根誤差是衡量各通道迭代收斂情況的參數(shù)，其計算公式為式(4)：

(4)

式中：ε為均方根誤差，RMS(yt(t))為響應(yīng)信號均方根值，RMS(yd(t))為目標(biāo)信號均方根值。

圖5為迭代過程中的均方根值誤差曲線圖，通過8次試驗(yàn)迭代，均方根誤差逐步下降，所有的加速度通道均方誤差最終都收斂到20%以內(nèi)，響應(yīng)信號與目標(biāo)信號較接近較好。

圖5 均方根值誤差收斂曲線

圖6-圖7挑選了兩個具有代表性的加速度通道進(jìn)行迭代前后的功率譜密度曲線對比。通過對比響應(yīng)與目標(biāo)信號的功率譜，可以發(fā)現(xiàn)，兩條曲線十分接近，迭代效果較為理想。

圖6 左前加速度功率譜密度對比

圖7 中心加速度功率譜對比

表3列舉出了各垂向通道最終響應(yīng)加速度能量與目標(biāo)信號能量計算結(jié)果。最終響應(yīng)與目標(biāo)信號的能量比結(jié)果較好(80%～120%)，滿足迭代要求。

表3 信號能量對比表

由以上幾種評價方式可知，迭代結(jié)果較為理想，滿足耐久試驗(yàn)的要求。

4 耐久試驗(yàn)

得到理想的驅(qū)動信號后即可執(zhí)行試驗(yàn)，表1中的路面循環(huán)次數(shù)即為每個驅(qū)動信號的重復(fù)次數(shù)。耐久試驗(yàn)后，檢查樣件，發(fā)現(xiàn)電池包鈑金焊接點(diǎn)出現(xiàn)裂紋，固定螺栓扭矩變小，與實(shí)際整車道路耐久試驗(yàn)過程中電池包的失效模式一致，證明了本試驗(yàn)方法的有效性。

5 結(jié) 論

總結(jié)了基于四立柱的電池包道路模擬試驗(yàn)方法，論述了從信號采集、信號編輯、信號迭代到耐久試驗(yàn)完整的臺架試驗(yàn)方法。精確復(fù)現(xiàn)特定車型特定電池包產(chǎn)品在道路行駛過程中的實(shí)際振動工況，與現(xiàn)行的電池包振動疲勞試驗(yàn)方法相比，試驗(yàn)精度和試驗(yàn)可靠性都更高。同時對很多主機(jī)廠、零部件廠的電池包振動試驗(yàn)具有一定的借鑒指導(dǎo)意義。