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新能源汽车用动力电池系统振动试验解读

作者: salmon范 编辑: 瑞凯仪器 来源: xh-studios.com 发布日期: 2019.08.01
引言

    振动试验是检验产品结构功能和耐久的有效方法,一般包括振动频率、自由振动、机械冲击、振动热循环等试验,传统车关键零部件都要通过相关试验,且已经有成熟的测试方法,但电池系统集电、热、机械等性能于一体,结构复杂,布置位置和环境各异,目前没有完全成熟和一致的振动试验方法和标准。本文综述了国内外新能源汽车用动力电池系统振动试验标准,对某款纯电动汽车电池系统进行振动实验,对测试结果进行分析和总结。

新能源汽车用动力电池系统振动试验解读

    1 振动试验应用背景及试验技术

    1.1 振动
    振动即物体围绕平衡位置进行的一种往复运动。振动对产品的主要影响:
    (1)结构损坏,这种破坏包括组成产品的各构件产生变形、弯曲裂纹、断裂以及疲劳损坏等;
    (2)工作性能失灵,这种破坏一般指在振动的影响下,造成系统不稳定、性能差,有些系统甚至不能工作;
    (3)工艺性能破坏,这种破坏一般指产品的连接部件松动、焊点脱落、螺丝松动、印刷板插脚接触不良等。
    1.2 振动试验
    与振动有关的试验广义上都可以称之为振动试验。按振动试验的目的不同,振动试验主要分为:环境适应性试验、动力学强度试验、动力特性试验和其他试验如振动筛选试验。按照加载性质不同,振动试验可以分为:(1)正弦振动,包括正弦定频和扫频;(2)随机振动,包括宽带和窄带随机振动;(3)混合模式振动,如:随机叠加随机、正弦叠加随机、正弦叠加随机叠加随机等。一般地说,正弦振动试验适合于试件的最初分析阶段,随机振动适用于最终检验。
    振动控制仪是通过振动台上加速度传感器的反馈信号来调整功率放大器的输入以达到控制的目的。大多数情况下采用多点控制,针对小台面和小试验件也可采用单点控制。按照振动参数的不同,振动试验的控制方法包括:最大值控制、平均值控制、最小值控制等。
    1.3 振动设备

常用振动设备如图1所示,一般包括电磁振动台/液压振动台、热交换器、加速度传感器、振动控制系统、功率放大器等。综合试验时,振动台面置于环境舱中,两个设备结合处弹性密封。


常用振动设备如图1

    2 新能源汽车用电池系统振动试验标准综述

    传统汽车零部件振动试验国际标准主要有:IEC 60068-2-6(正弦振动执行方法)、IEC 60068-2-64(随机振动执行方法)、IS016750-3(汽车电子电气零部件的振动试验要求)。目前国内外已经发布的电动汽车电池系统振动试验标准如下。
    (1)UN 38.3主要模拟锂离子(危险物品)运输过程中的振动试验测试规范。试验分大电池(大于12kg)和小电池(小于12kg,电芯或小电池),振动频率7~200Hz X,Y,Z 3个轴分别按照一定的加速度进行正弦扫频,试验在室温进行,无高低温和充放电要求。
    (2)IS012405-1用于规定电动车辆的锂电池组合系统的测试程序,主要分为一般测试、性能测试、可靠度测试及滥用测试4大类。其中振动试验属于可靠度测试项目,主要模拟因表面不平道路和动力驱动所引起的随机振动,进而造成故障和损坏,分大质量(电池组或系统)和小质量(电子设备或电池系统的零件)两种测试方法。对于电池系统,测试频率在200Hz内,X,Y,Z 3个轴,每个轴振动试验时间为21 h,且随着试验样品的增多试验时间减少,试验中有高低温要求(-40~75℃)。
    (3)SAE J2380用于模拟电动车电池长时间处于路面所引起的振动测试程序,以确保电池的耐振动能力。试验前后要进行电化学性能的测试和比较,试验过程中有SOC值和充放电要求,标准中未规定温湿度变化要求,但通常试验中按照3个综合条件进行,即振动、温度、工况同时进行,测试频率为10~190Hz随机振动,X,Y,Z 3个轴,可以选择正常或替代试验。
    (4)其他企标如GMW16390,振动频率范围宽,8~1000Hz,X,Y,Z 3个轴各振动24 h,试验样品数量随着不同的产品开发阶段有所不同,有高低温要求(电芯最低或最高温度±5℃内),要求充放电。
    各试验标准的具体试验方法见表1。
各试验标准的具体试验方法见表1

    3 电池系统振动试验

    3.1 试验准备
    3.1.1 振动实验夹具的设计与制作
    夹具分为上下两部分,模拟电池系统吊装在车身下,设计要求为刚性体,实验前采用l g加速度在5~250Hz内正弦扫频,要求其一阶共振频率大于200Hz。
    3.1.2 试验台架
    主要用到的试验设备有:环境箱、振动台、控制电脑、水冷机、电子负载、CAN通讯设备(CANa-lyzer)。环境箱主要控制温度(-40~80℃),振动台模拟整车行驶过程中产生的振动工况(SAE J2380),电子负载用于电池的充放电,水冷机用于电池系统充放电过程中的热管理,CANalyzer主要用于与BMS的通讯及主要电池参数的读取和保存。电池系统振动试验台架示意图见图2。
电池系统振动试验台架示意图见图2
    3.1.3 传感器布置位置
    (1)振动台上布置2个传感器,测得的值取平均值后反馈给振动控制台,按照振动要求输出;
    (2)夹具上应布置2个传感器,监控振动从振动台传递到夹具的实际振动值;
    (3)电池与夹具连接处,电池关键部位布置传感器(3~5个);
    (4)电池外壳表面布置2~3个温度传感器。
    3.1.4 试验记录
    实验开始后一定要对关键实验参数进行监控并记录,包括:
    (1)利用CAN工具读取并保存电池关键参数,包括:电芯及电池系统的温度、电压、电流、绝缘电阻值、故障码(DTC)、荷电态(SOC)、紧急下电(EPO)等;
    (2)监控设备的关键参数,如电压、电流、振动加速度、时间、压力、频段、温湿度、噪声强度、精度、水压、流速等;
    (3)监控安全相关的参数,包括温度、绝缘电阻、可燃气体浓度、电流限值。
    3.2 试验方法
    (1)测试前,执行功能测试,包括容量、绝缘电阻、内阻等;
    (2)将电池放入温湿度控制箱中,温湿度箱中温度范围为-40~85℃,其一个循环过程的温度变化曲线如图3所示,按照测试的时间要求,反复执行温度循环程序,直到振动试验结束。
    振动波形为随机振动,振动曲线与相关参数如图4所示,试验采用替代试验,Z方向10.95 h,X,Y方向各13.58 h,3个方向累积38.11 h。
振动曲线与相关参数如图4
    (3)测试过程中,在温度曲线所标出的带电测试区域执行带电测试,充放电电流大小为0.1 C,同时开启冷却循环水,保证电芯温度在工作温度范围内。
    (4)测试结束后,执行功能测试。
    3.3 试验结果及分析
    试验按照先Z方向,后X和Y方向的顺序进行,随机振动频率为10~200Hz,电池振动谱图见图5、6、7。由图可见,在Z和X方向,有2个通道的加速度值超出了限值,其它通道的振动曲线都在限值范围内,超出限值的2个通道的传感器布置在电池的上壳体和承重支架上,振动超出限值是由于电池系统不是一个完全刚性的体系,振动过程中某些部位发生较大的位移和共振导致大出标准要求。
电池振动谱图见图
    试验前后功能正常,无DTC出现,振动过程中充放电功能正常,试验后电池容量无明显衰减(<1%),电池系统各结构件(安装支架、冷却板、上下盖、模块及总线)无损伤,符合设计要求。
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