动力电池系统振动试验入门：标准、预处理、夹具和固定方式等
2024-10-08摘 要：动力电池系统是新能源电动汽车的核心部件， 抗振动特性是动力电池系统的重要考察指标。本文以电池系统的振动试验为研究对象，介绍了振动试验的基本理论，对国内外动力电池系统标准中的振动试验方法和要求做了对比研究，并参考国标 GB38031，对一款电动乘用车用电池包进行了振动试验，最后对振试验的方法和失效形式做了分析和总结。
关键词：动力电池系统 测试标准 振动试验
国高材分析测试中心振动试验台
1 电池系统振动标准对比
振动试验是检验、评价动力电池系统的重要方法，在大多数电池系统的测试标准中都会包含振动试验。在2020年发布的国家强制标准GB38031电动汽车用动力蓄电池安全要求中，对动力电池系统的振动试验方法和要求做了明确规定。在国内外动力电池的相关标准中，振动试验的对象有单体、模组和系统，其中涉及电池系统振动试验的重要标准主要如下。
1.1 国外标准
1)USABC1996《电池汽车电池测试手册》是由美国先进电池联合会制定的，是比较早期的电池测试标准，其中的振动试验被后期的USABC1999《关于电化学储能系统滥用性测试手册》和Freedom CAR《电动和混合动力汽车用储能系统滥用测试手册》参考引用。
2)SAEJ2380是由美国汽车工程师协会制定，其中的振动试验在国内被广泛使用。
J2380参考USABC的随机振动试验，用于模拟新能源车用电池受路面不平度激励引起的振动，以考核电池耐振动能力。J2380振动试验要求被SAEJ2929 和美国保险商实验室的UL2580参考引用。该标准提供两种振动试验量级可选，不同量级的试验时间有所不同。
3)UN38.3主要用于模拟锂电池在运输过程中所受的振动载荷，该标准的振动试 验是在 X、Y 和 Z 三个方向进行扫频振动，振动试验量级根据样品重量(12kg)不同有所区分。
4)ISO12405是由国际标准化组织制定，其详细规定了动力电池系统的测试要求。该标准规定测试过程中的SOC为50%，可以通过增加试验样品数量来调整试验的时间。该标准的振动试验被国内早期的GB/T31467.3-2015参考引用。
5)ECER100-02是当前新能源汽车做欧洲认证所使用的标准，该标准对动力电池系统的振动规定是7-50Hz的扫频振动试验，扫频后动力电池系统需要完成一个标准充放电循环。
1.2 国内标准
1)GB/T31467.3-2015的制定对于我国规范车用动力电池系统的测试具有重要的 意义，其中的振动测试参考ISO12405，但其将SOC调整到100%。该标准规定了动力电池系统的在 X、Y和Z 三个方向上各进行21h的随机振动。
2)GB/T31467.3-2015的2017年第1号修改单。GB/T31467.3的振动试验要求相对比较严苛，试验的通过率较低，虽然企业可以通过产品的改进满足标准的要求，但同时也会造成结构强度过度增大，成本增加，与整车轻量化原则相违背。大量实车测试数据也证明实车的振动载荷相对柔和。因此，在2017年将GB/T 31467.3的振动要求改为1号修改单的内容。其参考ECER100-02，规定动力电池系统做垂直方向的3h扫频试验。
3)GB38031是我国车用动力电池领域的第一个国家强制标准，它将代替GB/T 31467.3，规范车用动力电池的测试要求。该标准的振动试验规定将电池包或系统的SOC调整为不低于50%，振动试验载荷根据车型的不同也有所不同，试验分为随机振动和定频振动两部分。其中随机振动的功率谱密度(PSD)是根据大量不同车型在道路行驶中的实测数据而来，更接近我国新能源车辆的动力电池系统的实际受载情况。与GB/T31467.3 和其1号修改单相比，GB38031的振动试验更加合理。国内外动力电池系统的振动标准既有联系，又有区别，很多是有 ISO12405 和SAEJ2380演化而来，但各标准的试验条件(例如频率范围、试验量级)和试验样品的要求有所不同，各标准的主要参数对比见表1。
2 振前样品的预处理要求
在振动试验前，电池包或系统样品需要先进行预处理循环，以确保在振动试验时样品的性能处于激活或稳定的状态，在此提出，预处理失败（如电池容量达不到要求）的样品是不能做振动试验的，作为不合格样品返还电池制造商。
振动试验的电池样品预处理按GB38031标准第7.2.2条进行，在室温条件下，其中的充放电电流都要求小于1/3的充放电倍率，不充不放的静止时间一般是30min，充放电截止条件由电池制造商规定，或者静止时间也按厂商规定。样品预处理过程中，避免任何过充过放的操作，以免影响振动试验后的测试参数对比。
预处理通过的判定：
①样品连续2次的放电容量变化均不高于额定容量的3%，预处理成功。
②样品连续5次的充放电循环都正常，预处理成功。
整个预处理的步骤见图1样品预处理流程示意图。
图1 样品预处理流程示意图
振动试验对电池的化学物质的活性有破坏作用，验证其破坏作用，就必须在振动前先激活动力电池并确认振动前电池性能稳定，即先做样品的预处理，以便做试验前后的测试数据对比，综合评估电池的耐振能力。
3 试验夹具和样品固定方式
电池的振动试验涉及到振动能量的传播，这涉及到能量的传播方向或路径，试验样品安装应符合GB/T2423.43的要求，如果样品安装方式不当，往往会改变振动能量的真实传播，最终影响到试验结果。
电池振动试验的能量传播方向和路径见图2振动能量传播示意图。
图2 振动能量传播示意图
从图2的传播示意图可以看出，试验夹具和电池包固定板（支撑脚）对能量传递链条起着关键的作用。
动力电池振动能量传播的第一切入点是电池包的固定板，在作螺钉固定时有必要模拟装车的实况，固定板在电池包壳体的布置状况见图3电池包的支撑脚。
图3 电池包的支撑脚
对于试验夹具，必须确保其一阶固有频率必须远高于试验频率的上限，例如GB38031振动的频率上限是200Hz，那么夹具在试验前必须先做频率响应检查，如果其三个轴向的一阶固有频率均远高于200Hz，试验夹具才允许使用。
电池包固定板(外壳支撑脚)是电池样品的振动应力传输路径的最先导入点，试验样品的与振动台面耦合安装的固定位置和固定点数必须符合装车状况，或试验样品与夹具耦合安装的固定位置和固定点数必须符合装车状况。
GB38031中的振动试验要求都引用了方法标准GB/T2423.10（正弦）和GB2423.56（随机），因此在做动力电池的振动试验前，先做频响检查，振动试验后再做频响检查，如果前后对应频响数据变化较大，就意味着动力电池结构的固有频率发生明显的向下漂移，这说明电池结构的刚度发生了较大幅度的降低，结构刚度也会影响动力电池的安全。或者说对频响数据有可疑之处，企业应尽早进行摸底和验证试验，在产品设计阶段及时进行调整。
5 振动试验顺序特点
在GB38031标准的第8.2条中，规定汽车行驶方向为x轴向，即前后方向就是x轴向，左右方向为y方向，上下方向（垂直方向）就是z轴向。
振动试验前，根据电池的装车实况，振动方向的布局可参考图4电池包的振动试验过程监控示意图。
图4 电池包的振动试验过程监控示意图
该标准的振动试验推荐的试验顺序为先垂直方向后水平方向，先做随机振动后做正弦振动。以重型电动汽车为例，一般的顺序途径如图5振动试验的一般顺序示意。
图5 振动试验的一般顺序示意
振动试验顺序可根据实际情况，做出合理调整，该标准的第8.2.1.4条中提到：检测机构也可自行选择（试验）顺序，以缩短（轴向）转换时间。图6是电池包在垂直方向的振动试验实况图。
图6 电池包的振动试验实况图
6 某款动力电池系统振动试验
图7 Z 方向振动前扫频
图8 Z 方向振动后扫频
图9 Z 方向振动 PSD
图10 Y 方向振动 PSD
图11 X 方向振动 PSD
7 振动试验的失效形式
根据以往的振动试验经验，动力电池系统的振动测试失效形式主要有下面几个方 面：1) 电池包上下壳体开裂，见图12所示；2) 电池包的挂耳或嵌套螺帽开裂， 见图13所示；3) 高压汇流线断裂；4) 单体电压采样线松动或断裂；5) 模组固定螺栓松动造成模组移动，见图9；6) 控制系统(BMS)松动或断裂等。
图12 电池包下底壳开裂图
图13 电池包挂耳开裂图
图14 电池包内模组松动图
8 结语
随着新国标GB38031的制定和实施，动力电池系统的测试有了合理、规范的依据，但笔者认为当前测试标准中的振动要求还有改进的地方，例如标准中未对振动样品和夹具的安装要求做出规定，安装状态的不同对试验结果有很大影响。另外，随机振动试验未对峰值因子或削波系数做出规定，在Grms值相同的情况下，这两个参数的不同对试验结果也有很大影响，为了使振动试验更接近实际路况载荷的影响，还需要研究合理的峰值因子或削波系数。近几年动力电池系统发展迅速，其结构的耐振动性能有很大的提高，但仍然存在很多振动失效案例，因此在机械强度和轻量化方面，还有很大的改进空间。
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