一种基于真实路谱的电动汽车电池包结构疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于真实路谱的电动汽车电池包结构疲劳寿命预测方法，主要包括：电动汽车道路载荷工况的制定，道路载荷谱采集与分析，整车的多体动力学模型建立，多体动力学模型传递函数获取与载荷谱迭代，以及疲劳寿命预测。本发明专利技术采用半试验、半仿真的迭代方法获得电动汽车真实的载荷谱，确保了电池包结构载荷的准确性，工程实用性强，无需高昂的台架设备投入，成本低。利用多轴疲劳理论和宽带随机疲劳寿命预测方法对电池包结构寿命进行预测，计算量小，预测精度较高。

A fatigue life prediction method for electric vehicle battery pack based on real road spectrum

The invention discloses a fatigue life prediction method for electric vehicle battery pack structure based on real road spectrum, mainly including the formulation of the load condition of the electric vehicle, the collection and analysis of the load spectrum of the road, the establishment of the multi body dynamic model of the whole vehicle, the acquisition of the transfer function of the multi-body dynamic model and the iteration of the load spectrum, and the fatigue. Fatigue life prediction. The present invention adopts the semi - experiment and semi - simulation iterative method to obtain the real load spectrum of the electric vehicle, which ensures the accuracy of the load of the battery pack structure, the engineering practicality is strong, the high cost of the platform is not needed and the cost is low. Multiaxial fatigue theory and wide band random fatigue life prediction method are used to predict the structural life of battery pack.

【技术实现步骤摘要】
一种基于真实路谱的电动汽车电池包结构疲劳寿命预测方法
：本专利技术涉及一种基于真实路谱的电动汽车电池包结构疲劳寿命预测方法，其属于动力电池结构安全、可靠性领域。
技术介绍
：电动汽车电池包是电动汽车的能量来源。由于路面不平度的存在，安装在电动汽车上的电池包，会不可避免地承受来自于路面的振动。虽然经过轮胎与悬架的衰减，但作用在电池包上的振动依然不可忽视。一般地，来自路面的激励都是随机的，这种随机振动通常是长时间、低应力持续作用，对电池包结构的影响也是缓慢的。如果电池结构设计不合理，由于振动造成的电池疲劳损伤不断累积，同样会导致电池包结构疲劳失效，影响电池的正常使用，对整车安全性带来隐患。为此，国内外制定了一系列的电池包振动实验室标准。若在振动台架上能完全重复真实道路上电池所承受的载荷，该方法确实能获得准确的疲劳寿命结果。但一般为了缩短试验周期，节约成本，通常在实验室采用的电池包振动标准通常是经过强化、加速。由于强化、加速方法不同，目前国内外主流的关于电池包振动实验室标准有IEC62660-2，ISO12405-1，SAEJ2380，USABC，ECER100，UN38.3等标准。通过对国内外各主流标准进行分析可知，其在振动输入类型、带宽、幅值、试验时长、SOC状态、温度条件等等方面均有较大区别。换言之目前尚无统一的标准来评价电池包结构强度。倘若电池包在振动台架测试结果不满足试验标准，还需要进行重复性设计与试验，试验完成后电芯一般难以再回收利用，因此基于振动台架的电池包结构强度试验综合成本依然很高。基于CAE疲劳仿真预测手段的电池疲劳寿命方法可在电池包设计初期阶段就可对电池包结构强度进行预判，能有效地缩短产品开发周期，降低开发成本。但传统的电池包疲劳寿命预测方法，或是采用准静态计算方法，或是直接采用实验室台架振动标准作为振动疲劳的输入载荷。事实上，电动汽车在运行中对电池包的振动激励相当复杂，经现有技术检索发现，目前尚无以真实路谱作为电池包疲劳寿命计算与预测输入的方法。
技术实现思路
：本专利技术是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于真实路谱的电动汽车电池包结构疲劳寿命预测方法，解决了电池包结构真实载荷谱的无法获取的问题，利用宽带随机振动和多轴疲劳寿命方法，提高了电池包结构疲劳寿命预测精度。本专利技术采用如下技术方案：一种基于真实路谱的电动汽车电池包结构疲劳寿命预测方法，步骤如下：(1)、电动汽车道路载荷工况的制定，根据电动汽车汽车用户调查获得，或者直接以某个试验场的可靠性试验标准为依据；(2)、道路载荷谱采集与分析，按照测试要求，在电动汽车上安装传感器，在轴头处安装加速度信号，弹簧处安装位移传感器，电池包结构上以及相应的车身安装侧布置若干加速度传感器，GPS传感器，对采集到的多组信号在时域、频域、幅值上进行对比，并对信号进行重复性校验，相关性分析；(3)、整车的多体动力学模型建立，车架或车身部分采用柔性体模型，电池包采用刚体模型，最终整车为一个刚柔耦合动力学模型，在道路测试之前，重新测量车辆的轮胎载荷、重心位置和悬架限位器间隙参数，并根据测量结果对模型进行调整，完整动力学模型之后，需要进行动力学仿真试验验证，以保证动力学模型的正确性；(4)、多体动力学模型传递函数获取与载荷谱迭代，将整个整车样机模型看作一个系统，路面在轮心处的激励作为输入，各个传感器的响应作为输出，求解输入至输出的传递函数，然后对传递函数求逆，作为由输出反求得到输入的关系，所建立的整车样机模型是一个非线性系统，而传递函数是线性的，需要反复修正驱动信号，使响应信号逼近实测值，最终得到准确的激励输入；(5)、电池包结构疲劳寿命预测，电动汽车在行驶中，其上安装的电池包结构在安装点处承受来自6个方向的力，包括3个力与3个力矩，安装点的输入力谱起主导作用，只考虑三个方向力的振动输入，根据随机振动理论，电池包结构的应力响应功率谱密度矩阵可写成：其中为Hσ(f)应力频响函数矩阵，Gσ(f)为输入载荷谱，*为共轭运算，利用Von.Mises等效方法，将其等效成单轴等效应力Gσeq(f)＝Trace[AGσσ(f)]其中Trace为矩阵的迹，A的表达式如下：电池包结构应力与载荷谱间的频响函数矩阵，通过有限元分析软件进行频响函数分析获得，通过随机振动分析得到结构的应力响应的功率谱密度矩阵，利用材料S-N曲线，电池包等效后的单轴应力功率谱密度，以及Dirlink宽带随机振动方法获得电池包的结构寿命。进一步地，步骤(4)中，输入的载荷是4个轮心的Z向位移，输出为轴头加速度，弹簧位移，以及相应的车身安装侧加速度响应，根据输入载荷、传递函数与输出响应的关系，进行初始驱动载荷的求解：其中，为输入载荷，即为4个轮心的Z向位移，Hm×n为传递函数，Ym×1为输出响应，即为轴头加速度，弹簧位移，电池包结构上以及相应的车身安装侧加速度响应，这些响应即为道路载荷谱，n为输入载荷数，m为输出响应数，计算道路载荷谱的残差，并与残差门槛值δ对比，如残差不满足要求，并进行第2次至第k次迭代：一次类推K次，直至误差收敛，停止迭代此时对应驱动信号为最终的激励源，并作为多体动力学模型的输入，再通过多体动力学模型的正向仿真，获得电池包的输入载荷谱。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术采用半试验、半仿真的迭代方法获得电动汽车真实的载荷谱，确保了电池包结构载荷的准确性，工程实用性强，无需高昂的台架设备投入，成本低。利用多轴疲劳理论和宽带随机疲劳寿命预测方法对电池包结构寿命进行预测，计算量小，预测精度较高。附图说明：图1为本专利技术基于真实路谱的电动汽车电池包结构疲劳寿命预测方法的结构框图。图2为实测道路原始谱。图3为实测道路载荷谱拼接。图4为载荷迭代过程框图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。电池包结构失效大都是由于结构疲劳造成，即电动汽车在正常行驶中，电池包承受循环交变载荷，且应力水平低，通常低于结构屈服极限，最终由于疲劳损伤累计导致结构疲劳失效。从激励源分析，电池包主要承受来自地面的随机振动载荷。对于这一类随机载荷采用振动疲劳分析方法来分析与预测电池包结构的疲劳寿命是非常有利的，仅利用响应的PSD(功率谱密度)，避免了瞬态分析的巨大计算量。该方法利用从输入载荷信号至结构动应力之间的传递函数，将实际载荷的PSD乘以该传递函数从而求解获得动应力的PSD，应用动应力的PSD推算出结构的疲劳损伤，采用动应力PSD比获取应力的时域信号会更加容易。振动疲劳分析方法是根据一个PSD应力信号来计算疲劳寿命。假定应力时间历程为窄带随机过程，则其应力振幅服从Rayleigh分布，即其中Sa为应力幅，σ为应力RMS。G(f)为应力单边功率谱密度，定义G(f)的第i阶矩：对于窄带随机过程，0的上穿越速率的期望E[0+]与峰值穿越速率期望E[P]相等，即假定应力循环-寿命曲线：C＝N(Sa)b根据Miner疲劳损伤累计理论，结构疲劳损伤：其中，ni为应力水平Sai的循环次数，Ni为结构在应力水平Sai下的疲劳寿命。时间T内在应力范围(Sai,Sai+ΔSai)内的应力循环次数为：ni＝E(P)·T·PDF(Sai)·ΔSai则结构疲劳损伤：将求和符号变为积分，并考虑应力循环-寿命曲线对于宽带随机振动，在窄带本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于真实路谱的电动汽车电池包结构疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤如下：(1)、电动汽车道路载荷工况的制定，根据电动汽车汽车用户调查获得，或者直接以某个试验场的可靠性试验标准为依据；(2)、道路载荷谱采集与分析，按照测试要求，在电动汽车上安装传感器，在轴头处安装加速度信号，弹簧处安装位移传感器，电池包结构上以及相应的车身安装侧布置若干加速度传感器，GPS传感器，对采集到的多组信号在时域、频域、幅值上进行对比，并对信号进行重复性校验，相关性分析；(3)、整车的多体动力学模型建立，车架或车身部分采用柔性体模型，电池包采用刚体模型，最终整车为一个刚柔耦合动力学模型，在道路测试之前，重新测量车辆的轮胎载荷、重心位置和悬架限位器间隙参数，并根据测量结果对模型进行调整，完整动力学模型之后，需要进行动力学仿真试验验证，以保证动力学模型的正确性；(4)、多体动力学模型传递函数获取与载荷谱迭代，将整个整车样机模型看作一个系统，路面在轮心处的激励作为输入，各个传感器的响应作为输出，求解输入至输出的传递函数，然后对传递函数求逆，作为由输出反求得到输入的关系，所建立的整车样机模型是一个非线性系统，而传递函数是线性的，需要反复修正驱动信号，使响应信号逼近实测值，最终得到准确的激励输入；(5)、电池包结构疲劳寿命预测，电动汽车在行驶中，其上安装的电池包结构在安装点处承受来自6个方向的力，包括3个力与3个力矩，安装点的输入力谱起主导作用，只考虑三个方向力的振动输入，根据随机振动理论，电池包结构的应力响应功率谱密度矩阵可写成：...

【技术特征摘要】
1.一种基于真实路谱的电动汽车电池包结构疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤如下：(1)、电动汽车道路载荷工况的制定，根据电动汽车汽车用户调查获得，或者直接以某个试验场的可靠性试验标准为依据；(2)、道路载荷谱采集与分析，按照测试要求，在电动汽车上安装传感器，在轴头处安装加速度信号，弹簧处安装位移传感器，电池包结构上以及相应的车身安装侧布置若干加速度传感器，GPS传感器，对采集到的多组信号在时域、频域、幅值上进行对比，并对信号进行重复性校验，相关性分析；(3)、整车的多体动力学模型建立，车架或车身部分采用柔性体模型，电池包采用刚体模型，最终整车为一个刚柔耦合动力学模型，在道路测试之前，重新测量车辆的轮胎载荷、重心位置和悬架限位器间隙参数，并根据测量结果对模型进行调整，完整动力学模型之后，需要进行动力学仿真试验验证，以保证动力学模型的正确性；(4)、多体动力学模型传递函数获取与载荷谱迭代，将整个整车样机模型看作一个系统，路面在轮心处的激励作为输入，各个传感器的响应作为输出，求解输入至输出的传递函数，然后对传递函数求逆，作为由输出反求得到输入的关系，所建立的整车样机模型是一个非线性系统，而传递函数是线性的，需要反复修正驱动信号，使响应信号逼近实测值，最终得到准确的激励输入；(5)、电池包结构疲劳寿命预测，电动汽车在行驶中，其上安装的电池包结构在安装点处承受来自6个方向的力，包括3个力与3个力矩，安装点的输入力谱起主导作用，只考虑三个方向力的振动输入，根据随机振动理论，电池包结构的应力响应功率谱密度矩阵可写成：其中为Hσ(f)应力频响函数矩阵，Gσ(f)为输入载荷谱，*为共轭运算，利用Von.Mises等效方法，将其等效成单轴等效应力Gσeq(f)＝Trace[AGσσ(f)]其中Trace为矩阵的迹，A的表达式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，张蒙阳，
申请(专利权)人：开沃新能源汽车集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32