王 睿

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

由于汽車的發(fā)展比較迅速，新能源汽車的功能已得到普及。新能源汽車出現(xiàn)前期，我們要對汽車的使用期限以及其穩(wěn)定性等性能進(jìn)行相關(guān)的檢測以及評估。其中必不可少的一個操作過程就是在結(jié)構(gòu)振動試驗中模擬動力電池在新能源汽車行駛過程中的振動情況。激振技術(shù)是在結(jié)構(gòu)振動試驗臺上準(zhǔn)確模擬動力電池行駛過程的關(guān)鍵技術(shù)，它決定了試驗臺道路振動模擬的真實性和有效性。截至目前，我國的很大一部分高山動力電池試驗臺采用電動激振，但其下限頻率高，波形失真嚴(yán)重，高頻幅度低。由于自身結(jié)構(gòu)原理的限制，普通電液伺服閥難以在其帶寬上取得大的突破，對振動波形的控制更是難以實現(xiàn)，振動頻率被局限在低區(qū)間之內(nèi)。在實際行駛中，車輛受到路面?zhèn)鱽淼牧S著車速的變化而變化，這就是振動的概念。到現(xiàn)在為止，新能源汽車的外形特點與其他傳統(tǒng)的車型還是相差甚遠(yuǎn)，盡管新能源車在行駛之中還是會有些許地振動，長此以往，這種振動勢必傳輸?shù)絼恿﹄姵匾鸸舱竦男Ч?，這會引發(fā)嚴(yán)重的危險問題。因此，為了保證新能源汽車的安全性以及可靠性，其良好的抗震性能必不可少。一般情況下，進(jìn)行比較合理的機(jī)械性設(shè)計對于新能源汽車有很大的幫助，能提升動力電池的續(xù)航能力。

振動試驗是對于產(chǎn)品進(jìn)行檢測以及對其結(jié)構(gòu)功能和耐久性進(jìn)行檢驗的一種長期有效的技術(shù)，原先的汽車主要部位都會經(jīng)過一定的測試，而且其測試的方法比較成熟。但是，電池系統(tǒng)的動力電動汽車其性能和功能比較復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)多樣。目前，還沒有一致的振動測試方法和標(biāo)準(zhǔn)。純電動汽車的主要核心配件便是動力電池系統(tǒng)，其具有良好的可靠性能和平衡性能，這些性能決定著整車的性能。由于我國汽車配件的發(fā)展越來越迅速，因此一般原始的單向振動試驗臺已經(jīng)不太適用，它的功能以及效果也受到了很大的質(zhì)疑。在單向振動試驗臺之中，僅僅只有一小部分進(jìn)行過試驗，其余的沒有進(jìn)行過實質(zhì)性的試驗。因此，很難評價試驗和沒有過試驗的參數(shù)，無法對于其振動性能的參數(shù)得到一個完整的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。純電動汽車動力電池系統(tǒng)大多數(shù)是放置于車身的地板之下，其安裝的環(huán)境不好。動力電池的主要媒介之一是電池盒，其對于動力電池的安全性能起著一定的保護(hù)作用。近幾年來，鋁合金材料、碳纖維材料等材料雖然因其輕量化程度高而廣受歡迎，但是成本比較高，而且很難得到宣傳與推廣。截至目前，對于車身的材料選擇還是以金屬材料為主。所以，怎樣能夠?qū)τ谙潴w的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及材料的選擇進(jìn)行提高這是其主要的任務(wù)之一，也是大家廣為關(guān)注的一個問題。在此基礎(chǔ)上，文章對電動汽車動力電池箱的設(shè)計展開了進(jìn)一步的研究。

振動試驗是一項對于新能源汽車及其他產(chǎn)品的很多功能以及耐久性進(jìn)行檢測的良好的方法。一般包含很多種試驗，傳統(tǒng)的電動汽車主要零部件有對應(yīng)的研究方法，但是電池系統(tǒng)集各種性能于一體，結(jié)構(gòu)比較繁復(fù)，其所處的位置也不一樣。文章主要對國內(nèi)外新能源汽車的動力電池系統(tǒng)的試驗進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)測定，然后以某一款新能源汽車為例，對該系統(tǒng)做了具體的振動試驗，并對其測試的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了有關(guān)分析與總結(jié)。

1 振動試驗的背景情況及其技術(shù)實驗

1.1 振動

具體來說，物體一般以一個相對比較平衡的位置作為支點，繞其進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動，將其稱之為振動。振動對產(chǎn)品有以下的影響：首先，結(jié)構(gòu)的破損一般有產(chǎn)品之間、各個配件之間的破損、彎曲以及裂紋斷裂的情況等等；振動干擾條件比較大的情況下，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不是特別的穩(wěn)定，不可靠，造成工作性能失靈的情況，更嚴(yán)重的會直接導(dǎo)致不能工作；一般產(chǎn)品的配件之間可能會連接不緊密，造成松動等情況。

1.2 振動試驗

廣泛而言，我們將凡是與振動相關(guān)的試驗都叫做振動性的試驗。由于其目的不同，我們可以將其分為三個方面。按加載的性質(zhì)不同，將其分為以下幾個類型：正弦振動、隨機(jī)振動、混合振動。比如，隨機(jī)的疊加振動以及正弦和正弦疊加的隨機(jī)振動等等。一般而言，試件一開始的分析比較適合正弦的振動實驗，結(jié)尾處的試驗比較適用于隨機(jī)的振動。其中，通過振動臺上的加速度傳感器反應(yīng)的信號可以對其輸入與輸出情況進(jìn)行反饋，大部分情況之下，使用的是多點的控制措施，面對小臺面以及小的實驗室部件也會使用單點的控制。因為振動的參數(shù)不同，所以振動試驗的控制方法包含最大值的控制以及平均值的控制，還有最小值的控制等等。

1.3 振動裝置

常需要用到的設(shè)備有電磁振動臺、熱交換器以及各種其他的系統(tǒng)。在進(jìn)行比較綜合性的實驗時，我們一般將振動的平面放置于環(huán)境艙之中，然后將兩個設(shè)備結(jié)合進(jìn)行密封處理。

2 電動系統(tǒng)振動試驗

2.1 對于振動試驗夾具的設(shè)計和制作

一般情況下，振動試驗的夾具可以分為兩個類型，對于電池系統(tǒng)進(jìn)行模擬的時候會使其上升至頂部，然后吊著安裝在車身的下部，試驗之前需要采用1g加速度在5～250Hz之間進(jìn)行正弦的掃頻，并且必須保證一階的共振頻率可以達(dá)到200Hz以上。

2.2 試驗?zāi)康?/h3>

通過模擬新能源汽車的實際運(yùn)行過程，檢測電動系統(tǒng)的各零部件強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及極限載荷。根據(jù)振動試驗的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和分析就可以得到動力電池系統(tǒng)的基本實際參數(shù)與理論參數(shù)之間的差值。結(jié)合動力電池系統(tǒng)各零部件在振動試驗中的具體表現(xiàn)，可以得到影響其理論性能的關(guān)鍵要素。從消費(fèi)者的角度而言，本試驗可以得到新能源汽車電力系統(tǒng)的具體使用環(huán)境及其使用方法，進(jìn)而提升使用者的使用體驗。由于試驗數(shù)據(jù)的真實性較強(qiáng)，所以嚴(yán)格按照試驗提供的數(shù)據(jù)使用設(shè)備能夠延長設(shè)備的使用壽命。對新能源汽車電動系統(tǒng)的發(fā)展方面而言，試驗中所反應(yīng)出的動力電池系統(tǒng)部分零件問題，可以為其優(yōu)化、改進(jìn)提供改革方案，對于動力電池系統(tǒng)的生產(chǎn)和發(fā)展具有重要意義。

2.3 試驗設(shè)備

主要測試設(shè)備有：環(huán)境箱、振動臺、電子負(fù)載、CAN通信設(shè)備。其主要的功能如下：環(huán)境箱是對于溫度進(jìn)行掌握的，一般有一個溫度范圍即-40℃～80℃；振動臺用于模擬整車行駛過程中產(chǎn)生的振動條件（SAE J2380）；電子負(fù)載用于蓄電池充放電；水冷器用于電池系統(tǒng)充放電過程中的熱管理；CAN通信設(shè)備主要用于與BMS的通訊，讀取和保存電池的主要參數(shù)。

2.4 試驗步驟

首先，振動試驗開始前應(yīng)該對試驗所需用到的設(shè)備進(jìn)行檢查（夾具、振動臺、環(huán)境箱等），確保試驗過程順利的開展。其次，將試驗試樣（動力電池系統(tǒng)）以正常安裝方式固定在試驗臺上，確保試驗的安全性與準(zhǔn)確性。隨后啟動振動臺，使其在5～250Hz的頻率范圍內(nèi)以1g加速度進(jìn)行循環(huán)掃描。在循環(huán)掃描過程中對動力電池系統(tǒng)的外觀及緊固部位進(jìn)行單位時間的觀察與記錄。試驗結(jié)束后對試驗設(shè)備進(jìn)行整理。

2.5 注意事項

由于振動試驗會產(chǎn)生的巨大噪聲，因此工作人員需要進(jìn)行防噪措施避免安全事故的發(fā)生。另外，在振動設(shè)備工作時，切勿用手觸碰。

2.6 討論

為了使試驗?zāi)軌蛉缙诘仨樌瓿?，我們需要在試驗前期做一部分的?zhǔn)備工作，對于試驗臺上的試驗參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的檢測以及管理。本篇文章對于可能會對試驗造成的影響因素以及試驗中可能會遇到的問題做了進(jìn)一步的分析與討論。測試工具的設(shè)計和驗證。為了做一個模擬性的試驗，需要準(zhǔn)備一些模擬試驗所需要的道具。在試驗之前，需要對于工裝方面進(jìn)行掃頻，此外，在設(shè)計中還應(yīng)考慮樣品和工裝的重心以及振動臺的重心。

對于控制需要進(jìn)行加速設(shè)置。在振動的試驗平臺上，依據(jù)試驗的具體標(biāo)準(zhǔn)情況，對于其輸出與輸入的大小尺寸進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。一般情況下，實驗平臺上會裝有兩到三個傳感器，并且振動控制時的方法可以采用最大平均法以及最小值域的方法，這個試驗主要是采用前者。如果想要使蓄電池的震動情況得到實時的監(jiān)控和管理，需要對其內(nèi)部盡量多地設(shè)置振動傳感器。

對于其性能進(jìn)行測試以及對于其安全性能進(jìn)行監(jiān)護(hù)功能。蓄電池是一個比較高級的系統(tǒng)，它所需的電壓比較高，其所需的能量也比較高，振動熱循環(huán)這一試驗速度比較高，而且試驗過程之中對于其保護(hù)性能比較高。所以，第一步，主要是對于電池的主要參數(shù)進(jìn)行檢測，如果其主要的參數(shù)設(shè)置超過規(guī)定的參數(shù)，則不能正常工作。測試的系統(tǒng)可以隨時停止工作。此次試驗的過程之中，其主要的操作步驟有：電池的管理系統(tǒng)與其通信的設(shè)備，可以對電池管理系統(tǒng)的錯誤報告以及自動實驗停機(jī)的相互聯(lián)系進(jìn)行合理的實施。

選擇一臺合理的振動臺對于試驗所測的結(jié)果有很大的關(guān)系。對于其選擇的第一考量是需要其滿足實驗的加速度，電池安裝過程中需按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行?；诖?，對于是否選用大、小的儀器對于結(jié)果的影響大或者小，具有不同的觀點。本文認(rèn)為，如果將設(shè)備控制精確一些，對試驗所造成的影響不會太大。最重要的目的是保證上述三點在試驗中能夠達(dá)到并滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 新能源汽車用動力電池系統(tǒng)振動試驗標(biāo)準(zhǔn)綜述

截至目前，國內(nèi)外已發(fā)布了電動汽車蓄電池系統(tǒng)振動試驗標(biāo)準(zhǔn)。UN 38.3主要模擬鋰離子（危險品）在運(yùn)輸過程中的振動試驗規(guī)范。測試分為大電池（＞12kg）和小電池（＜12kg，單體或小電池）。振動頻率為7～200Hz。X、Y、Z軸按照一定的加速度正弦掃掠。試驗在室溫下進(jìn)行，無高低溫和充放電要求；ISO124051用于規(guī)定電動汽車鋰電池組合系統(tǒng)的試驗程序，主要分為四類：一般試驗、性能試驗、可靠性試驗和濫用試驗。其中，振動試驗是一項可靠性試驗項目，主要模擬隨機(jī)振動因道路不平和動力驅(qū)動引起的故障和損壞。有兩種測試方法：大質(zhì)量（電池組或系統(tǒng)）和小質(zhì)量（電子設(shè)備零件或電池系統(tǒng)）。對于電池系統(tǒng)，測試頻率為200Hz，X、Y、Z三軸，每軸振動測試時間為21個小時，隨著測試樣品的增加，測試時間縮短，有高低溫要求（-40℃～75℃）。

SAE J2380是用來模擬電動汽車電池長期在道路上引起的振動試驗過程，從而能夠使得電池的抗震性能得到比較好的控制。在進(jìn)行這一試驗的過程中，主要是對其電化學(xué)性能需要進(jìn)行相關(guān)的測試。在這一過程中，還需要設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。這個標(biāo)準(zhǔn)對于所規(guī)定的參數(shù)并沒有任何的變化，但是試驗一般情況下需要按照振動、溫度以及工況這三個主要的方面來進(jìn)行同時的測定，其設(shè)定的頻率是一個范圍值，一般在10～190Hz之間，分為三個平面，數(shù)學(xué)方法記為X、Y和Z軸。可選擇正?；蛱娲鷾y試X、Y、Z三個軸，而且互相可以振動一整天的時間。其所測樣品的數(shù)目可能會因其在產(chǎn)品的開發(fā)過程中有所不同，對溫度也有一定的要求，而且需要對其進(jìn)行充放電。

4 多軸振動的試驗概述

我國新能源汽車零件技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展。相比于傳統(tǒng)條件下的試驗臺，它的環(huán)境被大多數(shù)操作者質(zhì)疑，主要是由于在單向的振動試驗過程之中，多點控制的試驗法會導(dǎo)致比較大的試樣的一部分試驗會過激，而另一部分會有所欠缺，對于其試驗的過激與欠缺不會有太大的檢驗參數(shù)。所以，沒有辦法對于其樣品在振動的條件下進(jìn)行評判，也沒有這樣一個評判的標(biāo)準(zhǔn)。多自由度的振動試驗臺以及該試驗法可以很大程度上防止這種現(xiàn)象的發(fā)生。這是對比較大的試樣以及比較復(fù)雜的試樣進(jìn)行有效的試驗所具備的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)施。對于驗證試樣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有非常重要的現(xiàn)實意義。

振動平臺在空間之中含有6個自由度，這能夠滿足各種物體的運(yùn)動需求。其中很多研究一直用到的振動試驗臺有3個正交平移以及3個轉(zhuǎn)動運(yùn)動的6個自由度平臺，主要是采取空間上的各種并聯(lián)的功能，與串聯(lián)比較而言，該并聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，而且精確度高，對于其方向位置比較容易控制，但是它唯一的不足之處是不太靈活。

在其驅(qū)動的過程之中，主要分為兩種：一種是電動式，一種是電液式。電液式的振動臺的頻率比較小，位移比較大，承載的功能比較強(qiáng)大，但是電動式的頻率相比而言就比較低，力量大，移動的距離不太大。在振動臺的應(yīng)用過程之中，歐美國家是最早應(yīng)用的，這對于控制技術(shù)有著比較重要的作用，而且在其他領(lǐng)域上也有很大的發(fā)展空間。比如，美國的一家公司是主要提供設(shè)備以及檢測儀器的，不但對于在路面上的模擬試驗中擁有高超技術(shù)，而且在業(yè)界擁有知名的振動控制系統(tǒng)技術(shù)。

5 結(jié)束語

截至目前，我國對于動力電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范原則不一致，因此還需要相關(guān)研究人員進(jìn)行進(jìn)一步的操作與研究。盡量能夠在制定振動試驗方法的同時設(shè)計一個比較合適的試驗方法，能夠保障試驗的準(zhǔn)確性和安全性。