更加精确的电池耐久性测试

作者:本网编辑 发布时间:2013-08-08
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英国的一项研究计划结果表明,Millbrook有可能找到了对混合动力汽车电池耐久性进行测试的更加精确和安全的方法。

在朝气蓬勃并且变化很快的混合动力汽车领域里,随着OEM厂商和专业供应商的经验积累,测试方法和标准也在发生着迅速的变化。在耐久性测试方面,内燃机开发商可以依赖数十年来真实世界使用中所积累起来的成熟的测试程序数据,而对于电气化的动力系统而言,这些数据根本就不存在,所以,零部件工程设计不足或工程设计过度的风险要大许多。

为了填补空白,英国的一家测试开发商密尔布鲁克(Millbrook)决定研究汽车电池组所承受的振动情况,期望将此作为建立电池耐久性测试的新标准。

该项目的动力来自于一家客户,这家客户希望布鲁克为电池组设计出一种测试系统。布鲁克的高级工程师Jim Hooper先生说道:“当审阅学术文献查找关于电动汽车能源储存系统的资料时,我们发现公开研究报告或公布于世的研究资料和数据少得可怜。”


图1  智能ED是布鲁克团队用来收集数据的四个不同的电动或混合动力汽车之一,也是其内燃机基准车辆

汽车生产企业有其自己的电池组测试技术规范,而行业也有某些标准。Jim Hooper先生列举了SAE J2380和类似的美国高级电池财团的振动技术规范以及英国标准BS62660(电池组单元的非正常使用测试)和对电池组测试也有要求的新的ECE-R100标准。他解释说:“如果你开始进一步研究现有技术规范的细节,你就会发现它们存在很多局限性,其中多数都不是为了代表某种给定的车辆耐久性寿命而设计的。绝大多数的标准都是作为短期非正常使用测试而设计的,仅为了确定电池组的故障保安性能,而不是为了确定基于耐久性的程序,借以决定电池组质量保证期的寿命时间。对电池组供应商而言,最大的不确定性之一是电池组的质量保证期限是多长时间。”

布鲁克的研究团队发现,技术规范经常以消费电子器件数据作为依据,而消费电子器件的寿命和服务运作完全不同于电池组在车辆上的应用。他说:“我们发现的一个局限是某些技术规范仅只在X坐标上进行测试。当存在希望对X和Y坐标进行评估的技术规范时,客户希望使用同样的振动模式,而这样做是根本不现实的,因为X坐标和Y坐标的指标是不一样的。另外一个缺陷是绝大多数规范都以同样的方式对待电动车电池,而不管其匹配于哪种车辆,而且对电池电动车和混合动力汽车两者不作任何区分。由于车载发电机的缘故,非常可能的是,两种车辆会具有不同的振动特性。我们确定的异常情况几乎没有不在考虑之列的了。”

为了收集一些现实振动数据,布鲁克用一组不同电动汽车和混合动力汽车做对比测试试验,这些车包括智能ED(见图1)、Vauxhall Ampera、日产Leaf和三菱i-MiEV。从安装于每辆汽车6个部位上的三轴加速器上采集数据,这6个部位分别是电池组的两个A柱、电池组的前后位置和底盘的前后位置。


图2  日产Leaf的空冷袋装电池组,将来的测试标准可能需要考虑不同的电池结构

Jim Hooper先生说;“为了建立耐久性周期,我们对不同的振动进行了调查。我们将来自布鲁克结构性耐久测试程序作为依据,模拟仿真典型欧洲轿车的10年寿命,将这样的测试技术规范与真实世界的数据进行关联。局限性在于:这是内燃机10年的情况,关联已经存在的,但这是一个起点。”

“在纯电动汽车或混合电动车典型寿命方面存在着开展进一步研究的余地,因为当下还没有任何数据。尽管审视纯电动汽车使用情况的早期研究才进行了两年,但是,这些早期研究已经看到客户使用行为的一些变化,客户更多地是按照使用内燃机汽车的情况来进行调整,使自己的行为与之相适应。”Jim Hooper先生说到。

该测试团队分别记录下使用同样速度、同样车辆配置和布局以及同样乘客数目的每个表面的情况。一辆内燃机车辆被当作测试基,这样,电动汽车和内燃机汽车之间的任何特性差异都可被凸显出来。由此可以得出一些颇有意义的结论。Jim Hooper先生说:“从0~5Hz频率时所有车辆都显示出很大的振动能量,这些均产生于主要的驾乘行为。这非常有意义,因为我们审视过的技术规范一般对来自于7Hz以上的电动车电池进行评估,因此,很大一部分振动在技术规范中被忽略了。”


图3  J2380 X坐标测试曲线与从测试车辆上测量获得的数据的比较 

他继续说道:“在日产Leaf和三菱i-MiEV车上,我们还发现,在高于300Hz的频率时,存在一些相当高的振动能量尖峰,这需要进行进一步研究。但是,我们认为,那些共振可能有三个来源,可能是动力传动系的振动在起作用,振动由电动车电动机传输至电池组,也可能是冷却策略在起作用。我们仅在速度高达80~113km/h的情况下看到这些振动发生,也就是当冷却风扇运行的情况下,但也可能是某些电子器件的影响,比如由变压器的介入造成。如果是冷却系统在起作用,那么,会涉及到测试标准以及工程技术人员必须如何开发其产品的问题。用于较为温暖环境中车辆上的电池组会比用于像英国这样比较温和气候条件下汽车上的电池组能够更多地承受振动输入的影响。”

日产Leaf显现出独特的振动尖峰,这可能是电池组采用空气冷却,而不是采用水冷却的结果,这种布置是由电池组的专用袋装电池结构而决定的(见图2)。在所有测试车辆上(包括装配内燃机的Ampera汽车),其他尖峰可能来自于动力传动系统,如齿轮箱以及发动机在其安装支架上的振动,或者来自于悬架至路面间的振动。在这方面,电动汽车和内燃机汽车之间有一些相似性和关联性。

研究发现电动汽车特有的振动是来自于20~70Hz频率的振动尖峰。我们相信这是车体扭转模态被传递到电池组而形成的,因为电池是一个巨大的部件。研究人员也注意到,在这样的频率下,OEM厂商用于电池组隔离和减振的策略存在差异。结果,有不同的安装形式和不同的NVH性能,因此,当开发测试标准时,这也是需要考虑的一个因素。”

布鲁克团队采用n代码振动分析软件对所记录的数据进行序列测定,创建了车辆10年寿命动力谱密度图表,并与J2380和BS62660测试曲线进行对照(见图3)。Hooper先生说:“无论以何种方法对数据进行序列测定,我们都得出结论,认为J2380标准用于欧洲乘用轿车模拟仿真测试过于苛刻。我们也对照BS62660进行了评估。犹如J2380的情况一样,我们得出结论,从振动角度而言,这些标准过于严厉了。”

将来,布鲁克希望与电池生产企业合作,帮助他们设计对其汽车应用电池组更为现实的技术规范,与其他单位合作努力改进电池组技术规范。

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