振動試驗是檢驗產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能和耐久的有效方法，一般包括振動頻率、自由振動、機(jī)械沖擊、振動熱循環(huán)等試驗，傳統(tǒng)車關(guān)鍵零部件都要通過相關(guān)試驗，且已經(jīng)有成熟的測試方法，但電池系統(tǒng)集電、熱、機(jī)械等性能于一體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置位置和環(huán)境各異，目前沒有完全成熟和一致的振動試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)。本文綜述了國內(nèi)外新能源汽車用動力電池系統(tǒng)振動試驗標(biāo)準(zhǔn)，對某款純電動汽車電池系統(tǒng)進(jìn)行振動實驗，對測試結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

    1　振動試驗應(yīng)用背景及試驗技術(shù)

    1.1　振動
    振動即物體圍繞平衡位置進(jìn)行的一種往復(fù)運動。振動對產(chǎn)品的主要影響：
    （1）結(jié)構(gòu)損壞，這種破壞包括組成產(chǎn)品的各構(gòu)件產(chǎn)生變形、彎曲裂紋、斷裂以及疲勞損壞等；
    （2）工作性能失靈，這種破壞一般指在振動的影響下，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定、性能差，有些系統(tǒng)甚至不能工作；
    （3）工藝性能破壞，這種破壞一般指產(chǎn)品的連接部件松動、焊點脫落、螺絲松動、印刷板插腳接觸不良等。
    1.2　振動試驗
    與振動有關(guān)的試驗廣義上都可以稱之為振動試驗。按振動試驗的目的不同，振動試驗主要分為：環(huán)境適應(yīng)性試驗、動力學(xué)強(qiáng)度試驗、動力特性試驗和其他試驗如振動篩選試驗。按照加載性質(zhì)不同，振動試驗可以分為：（1）正弦振動，包括正弦定頻和掃頻；（2）隨機(jī)振動，包括寬帶和窄帶隨機(jī)振動；（3）混合模式振動，如：隨機(jī)疊加隨機(jī)、正弦疊加隨機(jī)、正弦疊加隨機(jī)疊加隨機(jī)等。一般地說，正弦振動試驗適合于試件的初分析階段，隨機(jī)振動適用于終檢驗。
    振動控制儀是通過振動臺上加速度傳感器的反饋信號來調(diào)整功率放大器的輸入以達(dá)到控制的目的。大多數(shù)情況下采用多點控制，針對小臺面和小試驗件也可采用單點控制。按照振動參數(shù)的不同，振動試驗的控制方法包括：值控制、平均值控制、小值控制等。
    1.3　振動設(shè)備

常用振動設(shè)備如圖1所示，一般包括電磁振動臺/液壓振動臺、熱交換器、加速度傳感器、振動控制系統(tǒng)、功率放大器等。綜合試驗時，振動臺面置于環(huán)境艙中，兩個設(shè)備結(jié)合處彈性密封。

    2　新能源汽車用電池系統(tǒng)振動試驗標(biāo)準(zhǔn)綜述

    傳統(tǒng)汽車零部件振動試驗國際標(biāo)準(zhǔn)主要有：IEC 60068－2－6（正弦振動執(zhí)行方法）、IEC 60068－2－64（隨機(jī)振動執(zhí)行方法）、IS016750－3（汽車電子電氣零部件的振動試驗要求）。目前國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)布的電動汽車電池系統(tǒng)振動試驗標(biāo)準(zhǔn)如下。
    （1）UN 38.3主要模擬鋰離子（危險物品）運輸過程中的振動試驗測試規(guī)范。試驗分大電池（大于12kg）和小電池（小于12kg，電芯或小電池），振動頻率7～200Hz X，Y，Z 3個軸分別按照一定的加速度進(jìn)行正弦掃頻，試驗在室溫進(jìn)行，無高低溫和充放電要求。
    （2）IS012405－1用于規(guī)定電動車輛的鋰電池組合系統(tǒng)的測試程序，主要分為一般測試、性能測試、可靠度測試及濫用測試4大類。其中振動試驗屬于可靠度測試項目，主要模擬因表面不平道路和動力驅(qū)動所引起的隨機(jī)振動，進(jìn)而造成故障和損壞，分大質(zhì)量（電池組或系統(tǒng)）和小質(zhì)量（電子設(shè)備或電池系統(tǒng)的零件）兩種測試方法。對于電池系統(tǒng)，測試頻率在200Hz內(nèi)，X，Y，Z 3個軸，每個軸振動試驗時間為21 h，且隨著試驗樣品的增多試驗時間減少，試驗中有高低溫要求（－40～75℃）。
    （3）SAE J2380用于模擬電動車電池長時間處于路面所引起的振動測試程序，以確保電池的耐振動能力。試驗前后要進(jìn)行電化學(xué)性能的測試和比較，試驗過程中有SOC值和充放電要求，標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定溫濕度變化要求，但通常試驗中按照3個綜合條件進(jìn)行，即振動、溫度、工況同時進(jìn)行，測試頻率為10～190Hz隨機(jī)振動，X，Y，Z 3個軸，可以選擇正?；蛱娲囼灐?
    （4）其他企標(biāo)如GMW16390，振動頻率范圍寬，8～1000Hz，X，Y，Z 3個軸各振動24 h，試驗樣品數(shù)量隨著不同的產(chǎn)品開發(fā)階段有所不同，有高低溫要求（電芯或溫度±5℃內(nèi)），要求充放電。
    各試驗標(biāo)準(zhǔn)的具體試驗方法見表1。

    3　電池系統(tǒng)振動試驗

    3.1　試驗準(zhǔn)備
    3.1.1　振動實驗夾具的設(shè)計與制作
    夾具分為上下兩部分，模擬電池系統(tǒng)吊裝在車身下，設(shè)計要求為剛性體，實驗前采用l g加速度在5～250Hz內(nèi)正弦掃頻，要求其一階共振頻率大于200Hz。
    3.1.2　試驗臺架
    主要用到的試驗設(shè)備有：環(huán)境箱、振動臺、控制電腦、水冷機(jī)、電子負(fù)載、CAN通訊設(shè)備（CANa－lyzer）。環(huán)境箱主要控制溫度（－40～80℃），振動臺模擬整車行駛過程中產(chǎn)生的振動工況（SAE J2380），電子負(fù)載用于電池的充放電，水冷機(jī)用于電池系統(tǒng)充放電過程中的熱管理，CANalyzer主要用于與BMS的通訊及主要電池參數(shù)的讀取和保存。電池系統(tǒng)振動試驗臺架示意圖見圖2。
    3.1.3　傳感器布置位置
    （1）振動臺上布置2個傳感器，測得的值取平均值后反饋給振動控制臺，按照振動要求輸出；
    （2）夾具上應(yīng)布置2個傳感器，監(jiān)控振動從振動臺傳遞到夾具的實際振動值；
    （3）電池與夾具連接處，電池關(guān)鍵部位布置傳感器（3～5個）；
    （4）電池外殼表面布置2～3個溫度傳感器。
    3.1.4　試驗記錄
    實驗開始后一定要對關(guān)鍵實驗參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并記錄，包括：
    （1）利用CAN工具讀取并保存電池關(guān)鍵參數(shù)，包括：電芯及電池系統(tǒng)的溫度、電壓、電流、絕緣電阻值、故障碼（DTC）、荷電態(tài)（SOC）、緊急下電（EPO）等；
    （2）監(jiān)控設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，如電壓、電流、振動加速度、時間、壓力、頻段、溫濕度、噪聲強(qiáng)度、精度、水壓、流速等；
    （3）監(jiān)控安全相關(guān)的參數(shù)，包括溫度、絕緣電阻、可燃?xì)怏w濃度、電流限值。
    3.2　試驗方法
    （1）測試前，執(zhí)行功能測試，包括容量、絕緣電阻、內(nèi)阻等；
    （2）將電池放入溫濕度控制箱中，溫濕度箱中溫度范圍為－40～85℃，其一個循環(huán)過程的溫度變化曲線如圖3所示，按照測試的時間要求，反復(fù)執(zhí)行溫度循環(huán)程序，直到振動試驗結(jié)束。
    振動波形為隨機(jī)振動，振動曲線與相關(guān)參數(shù)如圖4所示，試驗采用替代試驗，Z方向10.95 h，X，Y方向各13.58 h，3個方向累積38.11 h。
    （3）測試過程中，在溫度曲線所標(biāo)出的帶電測試區(qū)域執(zhí)行帶電測試，充放電電流大小為0.1?C，同時開啟冷卻循環(huán)水，保證電芯溫度在工作溫度范圍內(nèi)。
    （4）測試結(jié)束后，執(zhí)行功能測試。
    3.3?試驗結(jié)果及分析
    試驗按照先Z方向，后X和Y方向的順序進(jìn)行，隨機(jī)振動頻率為10～200Hz，電池振動譜圖見圖5、6、7。由圖可見，在Z和X方向，有2個通道的加速度值超出了限值，其它通道的振動曲線都在限值范圍內(nèi)，超出限值的2個通道的傳感器布置在電池的上殼體和承重支架上，振動超出限值是由于電池系統(tǒng)不是一個完全剛性的體系，振動過程中某些部位發(fā)生較大的位移和共振導(dǎo)致大出標(biāo)準(zhǔn)要求。
    試驗前后功能正常，無DTC出現(xiàn)，振動過程中充放電功能正常，試驗后電池容量無明顯衰減（<1%），電池系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)件（安裝支架、冷卻板、上下蓋、模塊及總線）無損傷，符合設(shè)計要求。