摘 要：動力電池系統(tǒng)是新能源電動汽車的核心部件， 抗振動特性是動力電池系統(tǒng)的重要考察指標(biāo)。本文以電池系統(tǒng)的振動試驗為研究對象，介紹了振動試驗的基本理論，對國內(nèi)外動力電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的振動試驗方法和 要求做了對比研究，并參考國標(biāo) GB38031，對一款電動乘用車用電池包進(jìn)行了振動試驗，最后對振試驗 的方法和失效形式做了分析和總結(jié)。

據(jù)公安部統(tǒng)計，截止 2022 年 6 月底， 我國新能源汽車保有量已突破 1000 萬輛， 占汽車總量的 3 .23%。近年來，為了節(jié)約能 源和保護(hù)環(huán)境，國家大力支持發(fā)展新能源電 動汽車，制定了一系列新能源電動汽車補(bǔ)貼 政策和汽車企業(yè)的管理制度，混合動力汽車 和純電動汽車已成為企業(yè)的研發(fā)重點。歐洲 已有多個國家制訂了燃油車退出計劃，電動 化已成為汽車的未來趨勢。動力電池系統(tǒng)是 電動汽車的核心部件，其可靠性直接影響到 整車的安全和可靠性 [1] 。在車輛的行駛過程 中，動力電池系統(tǒng)一直承受振動載荷的影 響，因此抗振動性能，是動力電池系統(tǒng)的 重要評價指標(biāo)。振動試驗是檢驗動力電池 系統(tǒng)的機(jī)械可靠性的重要方法，本文主要 對動力電池系統(tǒng)的振動試驗方法和失效形 式進(jìn)行分析研究。

2 振動試驗

振動是指物體相對平衡位置進(jìn)行的往復(fù) 運(yùn)動。通常用一些物理量 ( 如位移、速度、 加速度等 ) 隨時間變化的函數(shù)來表征振動的 時間歷程。動力電池系統(tǒng)所受到的振動的激 勵源主要來自路面不平度和和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)不 平衡等。振動對產(chǎn)品的主要影響有：1) 結(jié) 構(gòu)損壞， 例如部件的變形、裂紋和斷裂等 2) 工作性能失靈，例如系統(tǒng)工作不穩(wěn)定 3) 工 藝性能破壞， 例如螺栓松動、焊點脫落等 [2]。根據(jù)加載的載荷譜的不同，振動試驗一般可 以分為以下幾種。

2.1 正弦振動

正弦振動是一種隨時間按正弦 ( 或余弦 ) 函數(shù)變化的振動，具有一定周期性。正弦振 動可分為定頻振動和掃頻振動兩種類型。振 動頻率始終不變的試驗叫定頻振動。一般是 模擬轉(zhuǎn)速固定的旋轉(zhuǎn)機(jī)械引起的振動，或結(jié)

構(gòu)固有頻率處的振動。定頻振動主要用于耐 共振頻率振動和耐預(yù)定頻率振動。掃頻振動試驗的頻率將按一定的規(guī)律發(fā) 生變化，根據(jù)掃頻速度的不同可以分為線性 掃頻和對數(shù)掃頻兩種。線性掃頻的頻率變化 是線性的，即單位時間掃過多少赫茲，單位 是 Hz/s 或 Hz/min， 這種掃描用于細(xì)找共 振頻率的試驗。對數(shù)掃頻的頻率變化按對數(shù) 變化， 單位可以是 Oct/min 或 Oct/s， 其 中 Oct 是倍頻程。對數(shù)掃描是指在相同時間 掃過的頻率倍頻程數(shù)是相同的，因此在低頻 掃得慢而高頻掃得快。正弦振動試驗條件包 括試驗頻率范圍、試驗量級(加速度幅值大 小) 、掃描速度和掃描持續(xù)時間及試驗方向。

2.2 隨機(jī)振動

隨機(jī)振動是一種時域波形雜亂，在給定 時刻其瞬時值不能確定，波形隨時間無規(guī)律 性的振動。產(chǎn)品在運(yùn)輸和實際使用中所遇到的振動，絕大多數(shù)都是隨機(jī)振動，例如：車 輛在道路上行駛時產(chǎn)生的振動，飛機(jī)噪聲使 飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動和大氣湍流使機(jī)翼產(chǎn)生 振動等。因此，隨機(jī)振動試驗才能更真實反 映產(chǎn)品的耐振動性能。

隨機(jī)振動的運(yùn)動規(guī)律無法用時間的函數(shù) 正確表達(dá)，因此任何時刻，其振動的幅值和 頻率都無法確定，但隨機(jī)振動可以用統(tǒng)計學(xué) 的方法進(jìn)行表達(dá)。通常隨機(jī)振動在頻域進(jìn)行 描述， 隨機(jī)振動試驗的試驗條件(嚴(yán)酷等級) 一般是由下面四個組成：1) 試驗頻率范圍 (Hz) ，頻率范圍是指振動對產(chǎn)品產(chǎn)生有 效激勵的最高頻率和最低頻率之間的頻率；2)功率譜密度，功率譜密度是描述振動在 單位頻率上的能量分布；3) 總均方根加速 度(Grms )，Grms 是功率譜密度的頻譜在頻 率范圍內(nèi)的積分，即方均根值，通常用于試 驗誤差的控制和檢測；4) 試驗時間和方向。

2.3 混合模式振動

混合模式振動一般是正弦振動和隨機(jī)振 動的疊加，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。

3 電池系統(tǒng)振動標(biāo)準(zhǔn)對比

振動試驗是檢驗、評價動力電池系統(tǒng)的 重要方法，在大多數(shù)電池系統(tǒng)的測試標(biāo)準(zhǔn)中 都會包含振動試驗。在 2020 年發(fā)布的國家 強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn) GB38031 電動汽車用動力蓄電池 安全要求中，對動力電池系統(tǒng)的振動試驗方 法和要求做了明確規(guī)定。在國內(nèi)外動力電池 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，振動試驗的對象有單體、模 組和系統(tǒng)，其中涉及電池系統(tǒng)振動試驗的重 要標(biāo)準(zhǔn)主要如下。

3.1 國外標(biāo)準(zhǔn)

1)USABC 1996《電池汽車電池測試手 冊》是由美國先進(jìn)電池聯(lián)合會制定的，是比 較早期的電池測試標(biāo)準(zhǔn)，其中的振動試驗被 后期的 USABC1999《關(guān)于電化學(xué)儲能系統(tǒng) 濫用性測試手冊》和 Freedom CAR《電動 和混合動力汽車用儲能系統(tǒng)濫用測試手冊》 參考引用。

2)SAE J2380 是由美國汽車工程師協(xié)會 制定，其中的振動試驗在國內(nèi)被廣泛使用。

J2380 參考 USABC 的隨機(jī)振動試驗 [3] ，用 于模擬新能源車用電池受路面不平度激勵引 起的振動，以考核電池耐振動能力。J2380 振動試驗要求被 SAE J2929 和美國保險商 實驗室的 UL2580 參考引用。該標(biāo)準(zhǔn)提供兩 種振動試驗量級可選，不同量級的試驗時間 有所不同。

3)UN 38 .3 主要用于模擬鋰電池在運(yùn) 輸過程中所受的振動載荷，該標(biāo)準(zhǔn)的振動試 驗是在 X、Y 和 Z 三個方向進(jìn)行掃頻振動， 振動試驗量級根據(jù)樣品重量(12kg)不同 有所區(qū)分。

4)ISO 12405 是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制 定，其詳細(xì)規(guī)定了動力電池系統(tǒng)的測試要求。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測試過程中的 SOC 為 50%，可 以通過增加試驗樣品數(shù)量來調(diào)整試驗的時 間。該標(biāo)準(zhǔn)的振動試驗被國內(nèi)早期的 GB/T 31467 .3-2015 參考引用。

5)ECE R100-02 是當(dāng)前新能源汽車做 歐洲認(rèn)證所使用的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對動力電池系統(tǒng)的振動規(guī)定是 7-50Hz 的掃頻振動試 驗，掃頻后動力電池系統(tǒng)需要完成一個標(biāo)準(zhǔn) 充放電循環(huán)。

3.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

1)GB/T 31467 .3-2015 的制定對于我 國規(guī)范車用動力電池系統(tǒng)的測試具有重要的 意義，其中的振動測試參考 ISO 12405，但 其將 SOC 調(diào)整到 100%。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了動力 電池系統(tǒng)的在 X、Y 和 Z 三個方向上各進(jìn)行 21h 的隨機(jī)振動。

2)GB/T 31467 .3-2015 的 2017 年 第 1 號修改單。GB/T 31467 .3 的振動試驗要 求相對比較嚴(yán)苛，試驗的通過率較低，雖然 企業(yè)可以通過產(chǎn)品的改進(jìn)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求， 但同時也會造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過度增大，成本增 加，與整車輕量化原則相違背。大量實車測 試數(shù)據(jù)也證明實車的振動載荷相對柔和。因此， 在 2017 年將 GB/T 31467 .3 的振動 要求改為 1 號修改單的內(nèi)容。其參考 ECE R100-02，規(guī)定動力電池系統(tǒng)做垂直方向的3h 掃頻試驗。

3)GB 38031 是我國車用動力電池領(lǐng)域 的第一個國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，它將代替 GB/T 31467 .3，規(guī)范車用動力電池的測試要求。該標(biāo)準(zhǔn)的振動試驗規(guī)定將電池包或系統(tǒng)的 SOC 調(diào)整為不低于 50%，振動試驗載荷根 據(jù)車型的不同也有所不同，試驗分為隨機(jī)振 動和定頻振動兩部分。其中隨機(jī)振動的功率 譜密度(PSD)是根據(jù)大量不同車型在道路 行駛中的實測數(shù)據(jù)而來，更接近我國新能源 車輛的動力電池系統(tǒng)的實際受載情況。與 GB/T 31467 .3 和其 1 號修改單相比，GB 38031 的振動試驗更加合理。國內(nèi)外動力電池系統(tǒng)的振動標(biāo)準(zhǔn)既有聯(lián) 系，又有區(qū)別 [1] ，很多是有 ISO 12405 和 SAE J2380 演化而來，但各標(biāo)準(zhǔn)的試驗條 件(例如頻率范圍、試驗量級)和試驗樣品 的要求有所不同，各標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)對比見 表 1。

4 動力電池系統(tǒng)的振動試驗

4.1 振動臺

振動試驗一般是使用振動臺完成的，振 動臺有機(jī)械振動臺、液壓振動臺和電動振動 臺等。電動振動臺是應(yīng)用比較廣泛的一種類 型，其工作頻率寬，振動波形好，控制和操 作方便， 一般可滿足 2Hz 以上的振動試驗。電動振動臺的工作示意圖見圖 1，試驗條件 通過電腦的控制軟件設(shè)置，經(jīng)振動控制儀發(fā)送驅(qū)動信號給功率放大器，信號經(jīng)放大后驅(qū)動振動臺開始振動，加速度傳感器采集控制 點的振動信號并反饋給控制儀，控制軟件會 根據(jù)反饋信號自動調(diào)整驅(qū)動信號，以使樣品所受的振動載荷與目標(biāo)譜一致。振動試驗 前，需要核對振動臺的能力是否符合試驗的 要求，振動臺的主要參數(shù)有最大推力、最大加速度、最大速度、最大位移和頻率范圍等。

圖 1 振動臺試驗原理示意圖

4.2 試驗夾具

動力電池系統(tǒng)一般是通過專門設(shè)計的夾 具固定在振動臺上。夾具的主要作用是將樣 品固定在振動臺臺面上，并將振動臺的振動 載荷不失真的傳遞到試驗樣件上。因此對動 力電池系統(tǒng)的工裝有以下幾個方面要求。

1)夾具要盡可能的模擬電池系統(tǒng)在整 車上的安裝狀態(tài)。動力電池系統(tǒng)在整車上的 安裝方式通常有平鋪式、懸掛式和壓裝式。電動客車和專用車所用電池系統(tǒng)大多數(shù)是 標(biāo)準(zhǔn)箱式電池包，通常是平鋪在底盤上并通 過螺栓固定，大多數(shù)乘用車所用的電池系統(tǒng) 是通過掛耳懸掛在底盤上，還有一些快換類 型的電池系統(tǒng)是通過壓緊裝置壓緊在車輛上 的。因此， 動力電池系統(tǒng)與工裝的固定方式、 螺栓規(guī)格和扭矩要求要與實車保持一致，才 能模擬實車受載情況。

2)夾具的剛度和質(zhì)量。電池系統(tǒng)的夾 具要有足夠的剛度，以保證振動載荷的傳遞 不失真，但同時要保證質(zhì)量盡量小，夾具的 重量過重會影響到振動臺的承載能力和推 力，因此夾具的制造要選擇合適材料和工藝。

3)夾具的固有頻率。夾具的一階固有 頻率要大于試驗的頻率范圍，以免振動時夾 具發(fā)生共振，影響樣品的受載情況。在整個 試驗頻率范圍內(nèi)，夾具的頻響特性要平坦， 還應(yīng)避免夾具與樣品發(fā)生共振耦合。

4)夾具的側(cè)向運(yùn)動要盡量小。

4.3 傳感器的布置

振動試驗的傳感器通常分為控制點和監(jiān) 控點兩種，監(jiān)控點的傳感器只用于監(jiān)控測 試數(shù)據(jù)，而控制點傳感器的反饋數(shù)據(jù)則參與 驅(qū)動信號的調(diào)整，使控制點的振動量級達(dá)到 目標(biāo)值。根據(jù)控制點數(shù)量的不同，可以分為

單點控制和多點控制，多點控制的策略可以 是最小值、最大值或算術(shù)平均值控制?？刂?點一般選擇在動力電池包和夾具的固定點附 近，以使目標(biāo)振動譜準(zhǔn)確的傳遞到樣品上。

4.4 試驗監(jiān)控

試驗過程中要實時監(jiān)控電池包的狀態(tài)， 重點監(jiān)控最大單體電壓、最小單體電壓、最 大溫度、總壓和絕緣狀態(tài)等參數(shù)，如果關(guān)鍵 參數(shù)發(fā)生變化，例如電壓出現(xiàn)壓降等，需要 立即停止振動，檢查電池包的狀態(tài)。振動過 程中，還需要時時觀察電池包的外殼結(jié)構(gòu)和 振動聲音的變化。

4.5 某款動力電池系統(tǒng)振動試驗

本文選用了一款乘用車用動力電池系 統(tǒng)，參考 GB38031 進(jìn)行隨機(jī)振動試驗。振 動試驗前，對電池包進(jìn)行性能測試，包括容 量、絕緣和氣密性等，功能檢查正常后開展 振動試驗。通過夾具將電池包固定在振動臺 上，電池包和夾具的固定方式、螺栓規(guī)格和 實車裝配保持一致?？刂泣c傳感器布置在夾 具與電池包固定的螺栓附近，采用 4 個對角 位置的傳感器的進(jìn)行算術(shù)平均值控制。在隨 機(jī)振動前后進(jìn)行掃頻試驗，以測試樣品的固 有頻率，掃頻范圍 5 至 200Hz，掃頻速度 1Oct/min， 振動量級 0 .5g。Z 方向振動前 后的掃頻數(shù)據(jù)見圖 2 和圖 3， 由圖可見 Z 方 向振動前一階固有頻率是 57 .06Hz， 振動后 的一階固有頻率是 54 .94Hz， 試驗前后變化 不大。按照 GB38031 的要求， 樣品先后在 Z、 Y、X 三個方向上做隨機(jī)和定頻振動，三個 方向的隨機(jī)振動功率譜密度見圖 4 ~圖 6。振動試驗過程中，電池包的監(jiān)控參數(shù)無異常 變化， 外觀結(jié)構(gòu)完好， 無泄漏、破裂等現(xiàn)象。試驗后，對電池包進(jìn)行性能測試，電池包絕緣正常、容量無明顯變化、氣密性合格，符 合測試要求。

圖 2 Z 方向振動前掃頻

圖 3 Z 方向振動后掃頻

圖 4 Z 方向振動 PSD

圖 5 Y 方向振動 PSD

圖 6 X 方向振動 PSD

5 振動試驗的失效形式

根據(jù)以往的振動試驗經(jīng)驗，動力電池系 統(tǒng)的振動測試失效形式主要有下面幾個方 面：1) 電池包上下殼體開裂， 見圖 7 所示；2) 電池包的掛耳或嵌套螺帽開裂， 見圖 8 所示；3) 高壓匯流線斷裂；4)單體電壓采樣線松 動或斷裂；5) 模組固定螺栓松動造成模組 移動， 見圖 9；6) 控制系統(tǒng)(BMS) 松動 或斷裂等。

圖 7 電池包下底殼開裂圖

圖 8 電池包掛耳開裂圖

圖 9 電池包內(nèi)模組松動圖

6 結(jié)語

隨著新國標(biāo) GB38031 的制定和實施， 動力電池系統(tǒng)的測試有了合理、規(guī)范的依 據(jù)，但本人認(rèn)為當(dāng)前測試標(biāo)準(zhǔn)中的振動要求 還有改進(jìn)的地方，例如標(biāo)準(zhǔn)中未對振動樣品 和夾具的安裝要求做出規(guī)定，安裝狀態(tài)的不 同對試驗結(jié)果有很大影響。另外，隨機(jī)振動 試驗未對峰值因子或削波系數(shù)做出規(guī)定，在 Grms 值相同的情況下，這兩個參數(shù)的不同 對試驗結(jié)果也有很大影響，為了使振動試驗 更接近實際路況載荷的影響，還需要研究合 理的峰值因子或削波系數(shù)。近幾年動力電池 系統(tǒng)發(fā)展迅速，其結(jié)構(gòu)的耐振動性能有很大 的提高，但仍然存在很多振動失效案例，因 此在機(jī)械強(qiáng)度和輕量化方面，還有很大的改 進(jìn)空間。

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