梁聰

摘要：機械沖擊是新能源動力電池研發(fā)過程中安全性、可靠性考核試驗的重要測試內(nèi)容。本文深入研究機械沖擊試驗的測試原理，通過建立機械沖擊動力學模型，探討波形發(fā)生器、試驗高度、動力電池樣品質(zhì)量和阻尼器粘阻系數(shù)對動力電池機械沖擊測試結(jié)果的影響。在此基礎上，提出一種高效調(diào)節(jié)目標參數(shù)從而快速獲得理想測試結(jié)果的試驗方法，縮短了實際工程測試的調(diào)試時間并提高測試效率提供了良好的理論基礎。

Abstract： Mechanical shock is an important part of safety and reliability test in the development of new energy battery. In this paper， the testing principle of mechanical shock is deeply studied， and the dynamic model of mechanical shock is established， the effects of waveform generator， test height， test sample quality and damper viscosity coefficient on the mechanical shock results of power battery were investigated. On the basis of this， a method of adjusting target parameters efficiently to obtain ideal test results is proposed， which provides a good theoretical basis for reducing debugging time and improving test efficiency in practical engineering test.

關(guān)鍵詞：機械沖擊;脈沖時間;峰值加速度;動力電池

Key words： mechanical shock;pulse time;peak acceleration;power battery

0 ?引言

在國家政策的強力推動下，我國的新能源汽車的保有量目前已達到了百萬級別。隨著新能源汽車行業(yè)的進一步成長，預計到2025年前后，新能源汽車新車銷量占比會達到25%[1]，累計市場占有率將達到四成左右。然而，僅在過去的2019年，據(jù)媒體報道及統(tǒng)計，有超過100例新能源汽車發(fā)生自然、起火等安全事故。其中，30%的安全事故是因機械可靠性不足而引起的。而機械沖擊作為機械安全性、可靠性考核試驗的重要測試內(nèi)容[2]，動力電池生產(chǎn)及研發(fā)企業(yè)、新能源整車企業(yè)、高校等科研院所、檢測中心等相關(guān)企業(yè)和單位，紛紛在機械沖擊領(lǐng)域展開相關(guān)研究。

新能源汽車在實際工作中會遇到非正常路面狀況，如溝壑、凸起等，這樣就會在極短的時間內(nèi)（一般為幾毫秒到幾十毫秒）對動力電池系統(tǒng)引起極大的加速度變化（一般為幾倍到幾十倍的重力加速度）。為了規(guī)范新能源汽車行業(yè)健康有序發(fā)展，國標委相繼制定了GB/T 31467.3-2015 《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》、GB 38031-2020 《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，機械沖擊也被引入其中作為強制標準的測試項目。并且在實際產(chǎn)品研發(fā)過程中，由于各個車輛類別和實際應用場景的不同，主機廠會對動力電池提出各種各樣的機械沖擊試驗要求。因此，有必要對動力電池機械沖擊測試進行相關(guān)原理和模型的研究，才能更好地滿足多種多樣的機械沖擊測試需求。

蔣亮亮等人[3，4，5]通過對沖擊試驗臺存在的幾種結(jié)構(gòu)進行探討和分析，優(yōu)化設計了一種沖擊試驗臺，并對某商用車用半軸進行了沖擊試驗。蔣殿臣等人[6]針對擺錘式?jīng)_擊響應譜試驗臺波形試驗的調(diào)試方法進行了總結(jié)，介紹了擺錘式?jīng)_擊響應譜試驗臺的工作原理和設備結(jié)構(gòu)組成，概述了響應譜型控制的主要技術(shù)指標，總結(jié)了目標環(huán)境調(diào)試方法、調(diào)試規(guī)律。于洽會等人[7，8]介紹了一種垂直跌落沖擊臺 ，并對其結(jié)構(gòu)特點、工作原理、沖擊試驗的波形進行了闡述與分析，并提及了相關(guān)的設計思路和改進措施。莊佳俊等人[9]討論了加速度傳感器的誤差、工裝夾具的安裝、波形發(fā)生器的選擇等幾種關(guān)鍵因素對于實驗結(jié)果的影響。

然而，就目前而言，絕大多數(shù)的機械沖擊試驗是通過人工迭代，不斷試錯的方式進行試驗參數(shù)的調(diào)節(jié)，以求達到所需要的機械沖擊測試需求及波形圖?；谏鲜銮闆r，一方面無法快速響應動力電池機械沖擊所提出的試驗要求，試驗效率低下;另外一方面，頻繁調(diào)試會使試驗工作人員受傷風險增大，且會加速沖擊試驗臺的損耗折舊，使得人民生命財產(chǎn)安全受到潛在威脅。本文主要從理論上研究動力電池機械沖擊試驗模型，深入探討脈寬時間、峰值加速度、試驗高度等試驗參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，提出了一種高效、快速調(diào)節(jié)沖擊試驗臺的過程方法。該方法既提高了機械沖擊試驗的測試效率，也為后續(xù)的沖擊試驗臺的升級改造也提供了一種思路和理論基礎，非常具有實際意義與應用價值。

1 ?機械沖擊動力學模型

目前，國內(nèi)外主流的第三方檢測機構(gòu)所采用的機械沖擊臺的類型多為跌落式?jīng)_擊試驗臺。本文以蘇州蘇試儀器有限公司的QP-1500這款沖擊試驗臺為例，簡述機械沖擊臺的工作過程：工作臺由安裝在底座上的兩根滑動導向柱導向，可以上下滑動。兩個氣缸通過活塞桿上的拉桿與工作臺連接，當氣缸充氣時，活塞桿被向上頂出，帶動工作臺向上提升。沖擊試驗一旦開始，氣缸充氣，工作臺向上提升，當工作臺上升到預先設定的跌落高度時，氣缸快速放氣，鎖緊裝置解鎖，工作臺面自設定的高度自由跌落。在一般試驗過程中，先將動力電池樣品固定于剛性的工作臺上，然后動力電池樣品、工作臺面，與工作臺沖擊座及上面預先安裝的波形發(fā)生器發(fā)生撞擊，完成一次沖擊過程。

本文通過抽象波形發(fā)生器、阻尼器以及動力電池樣品，簡化其他非關(guān)鍵部件，得出以下動力電池機械沖擊物理模型：即為具有初速度的帶阻尼的一維振動系統(tǒng)。假設動力電池樣品的質(zhì)量為m，工作臺的質(zhì)量為m0，模擬波形發(fā)生器的彈簧的剛度為k，阻尼器的阻尼系數(shù)為C，動力電池樣品偏離原點的位移為x，選取彈簧的平衡位置作為原點，選取向上為正方向，且忽略空氣阻力的影響[10]。根據(jù)牛頓第二定律，可列出以下動力學微分方程：

2.3 動力電池樣品質(zhì)量和阻尼器粘阻系數(shù)對沖擊試驗結(jié)果的影響

動力電池樣品質(zhì)量m由于在試驗一開始就確定了，而粘阻系數(shù)C指的是阻尼器中阻尼材質(zhì)的特性參數(shù)，它在設備制造時已經(jīng)確定了，無法變更。因此，動力電池樣品質(zhì)量m和阻尼器粘阻系數(shù)無法起到調(diào)節(jié)目標試驗曲線的作用。

3 ?結(jié)論

本文主要研究了機械沖擊試驗模型的各個變量參數(shù)對于機械沖擊試驗結(jié)果的影響。通過波形發(fā)生器、試驗高度、動力電池樣品質(zhì)量和阻尼器粘阻系數(shù)對沖擊試驗結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

①脈寬時間僅由波形發(fā)生器所決定。如果把波形發(fā)生器理解為彈簧，那么波形發(fā)生器的楊氏模量E就對應了彈簧的剛度系數(shù)k。通過改變波形發(fā)生器的串聯(lián)或者并聯(lián)的數(shù)量（可以理解為將彈簧進行串聯(lián)或者并聯(lián)），就可以達到調(diào)節(jié)沖擊脈寬時間的效果。若事先將波形發(fā)生器在線性變化范圍內(nèi)的楊氏模量E與抽象的彈簧剛度系數(shù)k建立換算關(guān)系，再加上已知粘阻系數(shù)C、動力電池樣品質(zhì)量m、工作臺質(zhì)量m0，通過計算公式就可以理論推算出所選取的波形發(fā)生器是不是能夠達到?jīng)_擊試驗所要求的脈寬時間。

②脈沖峰值加速度主要是由試驗高度所決定。根據(jù)式（5），在調(diào)整好脈寬時間后，此時ω和β就是確定的量。由于當t→0，式（5）可近似地理解為取到最大值，那么此時試驗高度h就可以根據(jù)式（5）解出。

③在允許誤差范圍內(nèi)，機械沖擊試驗高效、快捷的調(diào)節(jié)過程應該遵循以下順序：在調(diào)節(jié)跌落式?jīng)_擊試驗臺時，應先根據(jù)脈沖時間（此時T已知）、粘阻系數(shù)C、動力電池樣品質(zhì)量m0和工作臺質(zhì)量m來計算剛度系數(shù)k。然后根據(jù)剛度系數(shù)k來確定波形發(fā)生器的數(shù)量以及串并聯(lián)組合。當波形發(fā)生器的形式確定后，再利用式（5）（此時k、C、m、m0均已知），令t→0，近似地計算出試驗高度h。

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