“电池振动测试”为何是终极之战

电动汽车由于电池重量过大，给耐久性工程师带来了新的挑战。这篇博文详细介绍了如何设置电池振动测试，以确保耐久性测试正确推进并安全地集成到车辆中。

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最近，我不得不搬家。一个字总结：重！我不得不小心翼翼地将东西装进箱子里，然后驱车前往新地点。有了这次经历，当我行驶在崎岖不平的路面上时，例如比利时街区，我就在想，我们为什么不租一辆卡车呢？当然，我不得不开着满载货物的汽车从一个地方绕到另一个地点。这让我想到一个问题：这样会不会损害我的爱车啊？

我必须承认，作为一名耐久性工程师，这种问题让我非常困扰。

后来我才意识到，我的车是插电式混合动力车，行李箱相对较小。这是因为电池电动汽车的电池更大，而这些电池的包装也不简单。到底要不要牺牲行李箱的空间来承载这么大的一个电池包呢？

重型电池 = 新电池振动测试挑战

此外，如果大家和我一样是耐久性成瘾者，我敢肯定你们也有同样的困扰。问题成倍放大，情况就变得更加复杂。

1. 如何安全地将电池组集成到汽车上，并确保整车在预期的使用寿命内正常运行？
2. 在将电池应用于汽车之前，如何生产出可靠的电池？

为什么验证电池组对车辆的使用寿命至关重要？

乍一看，大家可能会认为这两个问题几乎是一样的。但它们有着本质区别！第一个问题与整车耐久性有关，我们对电池集成更感兴趣。从这个角度来看，关注电池在车辆的放置位置意义重大。对于如此沉重的电池（记住特斯拉 Model S 的重量分布）来说，电池支架要承载重物并将其传递到车身。在崎岖不平的道路上颠簸行驶时，您可能会发现电池区域周围的力水平较高。

要解决这个潜在问题，我们就需要一个结构化的耐久性工程流程。这一过程最好覆盖整个车辆层面。通常，在这些情况下，我们会看到高振幅的力和位移，从而产生疲劳问题。我们通常会在一定频率范围内体验到这些高电平（传统的耐久性或疲劳特性；高振幅、低频率）。

第二个问题与电池本身关系更大。因此，除了道路引起的振动外，我们还需要考虑电池引起的振动。请记住，电池组内的电子元件也会产生振动。同样，在动态条件下，由于通过电池支架传递到电池的高载荷和电池本身引起的振动，车辆可能会出现意想不到的耐久性故障。显然，对于这类情况，我们还应该考虑振动疲劳。载荷的高频含量也可能在潜在的耐久性故障中发挥关键作用。

在这篇博文中，我将重点介绍如何在车辆上应用可靠的电池，以及为什么电池振动测试在此过程中必不可少。

电池振动测试备受瞩目！

为了更好地了解电池组引起的耐久性问题，我们需要评估电池振动测试。首先，可以根据预定义标准验证电池。其中一些可用于测试电池，例如 IEC 62660、ISO 12405、SAE J2380 等。这些标准已经提供了一些电池振动测试配置文件，可立即用于振动台。这些标准包括：

• 振动模式（正弦或随机）
• 施加载荷的轴
• 加速级别
• 测试持续时间
• …

看来，在汽车上使用电池之前，我们务必要对电池设计进行验证。

要执行电池振动测试，则需要一个具有闭环控制策略的振动台。确保测量的输入和输出都在所需的电平上。

在西门子，我们通过软硬件解决方案帮助客户在振动台上可靠地执行闭环振动鉴定测试。我们提供的解决方案甚至可用于卫星测试，可靠性备受认可！

我们能否使用通过这些标准测试的电池？我对这个答案有点犹豫，因为我还有另一个问题：这些标准是否与客户的真实使用情况一样严格？

如若不然，那就准备好面对客户关于耐久性和疲劳方面的问题轰炸吧。您也有可能在现场看不到任何问题。但这也可能是一个工程问题，因为设计可能过度复杂。

超越标准：定义正确的振动测试配置文件

如前所述，电池振动测试标准预先规定了测试配置文件。但要注意，还务必要使用正确的载荷进行测试。

选择正确的配置文件进行测试，可有效避免过度测试或测试不足。测试不足可能会导致后耐久性问题，而解决这些问题的成本非常高。过度测试可能会导致高昂的材料成本和不必要的工程投入。基本上，在为电池验证创建震动测试配置文件时，我们可依赖三个关键标准：

• 真实的载荷利用率 – 选择实际测量结果，而不仅仅使用标准值
• 确定正确的配置文件 – 配置文件的损伤应与客户的实际使用情况相符
• 测试加速 – 保留损伤但缩短测试持续时间

如何优化电池振动测试配置文件

要创建最佳的测试配置文件，大可使用 Simcenter SCADAS 数据采集硬件和 Simcenter Testlab 软件解决方案。Simcenter SCADAS 将帮助我们从现实生活中获取多物理场数据，以了解电池如何受到道路载荷和电池诱发荷载的影响。同时，Simcenter Testlab 还支持配置通道，分析采集的振动信号的潜在损伤，并创建合成测试配置文件。这种方法称为任务合成。工作流程如下：

客户驾驶汽车的场景如何？

在继续深入研究之前，我们有必要提出这样一个基本问题：“一旦客户使用了我的产品，它将会发生什么变化？”

要回答这个问题，我们需要确定车辆的运行环境。下面示例显示了有关特定市场在整个生命周期内分销的四个实际设置（环境）。

显然，我们需要从这些不同的环境（任务）中获取相关数据。通常，测试工程师使用振动台从测试组件的安装位置获取振动数据。下一步，他们根据采集的振动数据计算功率谱密度 (PSD)。

用于数据采集和损伤可能性分析的最佳测试工具集

Simcenter SCADAS 硬件旨在支持多域采集活动，采集模拟和数字数据。这些传感器种类繁多，包括振动、应变、力、位移、麦克风、视频、GPS、温度、压力、电压等。

使用采集的振动数据，通过 PSD 计算将其作为振动台的输入。这里指的是“实际载荷利用率”这一点。但这还不足以创建等效损伤和加速测试配置文件。现在您可能会有个疑问：“如何量化恶劣环境对我产品的影响？

电池振动测试步骤

为了更好地了解不同环境对耐久性的影响，我们应该更多地研究振动疲劳，即根据激励计算响应。因此，我们应重点关注疲劳损伤谱 (FDS)、最大响应谱 (MRS) 和冲击响应谱 (SRS)。这些计算用于评估与高循环疲劳相关的潜在疲劳损伤。假设振动信号的谐振频率被视为单自由度 (SDOF) 系统，我们将频率和 Q 因子阻尼也考虑在内。根据每个 SDOF 系统计算出响应（相对位移）。

在了解了潜在的损伤之后，下一步是测试加速，根据计算的响应谱（FDS、MRS 和 SRS）创建随机 PSD 或正弦扫频曲线（甚至组合）。Simcenter Testlab 支持一个自动化环境，其中测试持续时间可由用户定义，同时软件已考虑到潜在的损坏。

最后，我们将电池安装在振动台上。我们将其固定在现实生活中主要振动方向相同的方向上。我们加载 Simcenter Testlab Mission Synthesis 软件中计算出的合成测试，并使用 Simcenter Testlab 振动控制模块和 Simcenter SCADAS 硬件开始振动控制测试。

为什么任务合成彻底改变了行业？

任务合成为汽车制造商和供应商带来了有意义的见解。借助这项技术，汽车公司可以使用 FDS 来比较潜在电池供应商的资质证明。从供应商的角度来看，他们可以凭借这项技术创建单一的资质测试，以此比较各种资质。

真实案例：将标准配置文件与道路合成的配置文件进行比较

最近，我借机比较了两组数据，一是众所周知的乘用车电池振动测试标准，二是我从不同路面获得的一些道路载荷数据。这些标准主要考虑到组件的预期耐久寿命。因此，我还需要用我的测量数据覆盖整个生命周期，以便进行背靠背测试。Simcenter Testlab 软件有独特的优势，可根据耐久性潜力来比较各种场景。就我而言，我使用 Simcenter Testlab 将标准配置文件与道路合成配置文件进行比较。

当我根据 FDS 和 MRS 结果比较这些不同的概况时，结果非常有趣。对于某些频段，标准配置文件的响应较高，因此损坏可能性也较高。对于其他一些频段，道路合成配置文件的响应更高。因此，要确定最适合电池验证的配置文件，我们还要额外做一些工作。

Simcenter Testlab Mission Synthesis 模块能够创建道路合成的振动配置文件，以及这些配置文件与标准之间的比较

同样重要的是，Simcenter Testlab 甚至让我们有机会在这些不同配置文件上创建更多迭代。即便考虑最坏的情况，我们仍然可以包络来自标准和道路合成配置文件的 FDS 和 MRS 配置文件。这样就有机会考虑整个频段的所有峰值响应。但请记住，此举也可能导致过度测试...

关于电池振动测试的结论

如前所述，我们通过标准运用一些预定义的测试配置文件来测试电池。不过务必使用相应的载荷。高效的电池振动测试对于以下方面至关重要：

• 满足对高质量、可靠性和短测试时间期望
• 在生命周期内反映的不同环境振动（如运输、道路撞击、电池引起的振动等）
• 找到最佳测试平衡（测试不足会增加机械故障的可能性，增加成本，而过度测试会导致不必要的工程成本）

想了解具体信息？参加定于 2 月 5 日上午 9 点和下午 6 点（欧洲中部时间）举办的网络研讨会。

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