关键词：机械冲击；冲击加速度；冲击脉宽; 影响因素
Abstract: Mechanical shock is one of the necessary validation items for vehicle battery series products,simulating vehicle crash or bump during transportation by mechanical shock test,validating the durability of strong or low intensity repeated shock during vehicle driving or transportation under packaging.
Key word: Mechanical shock;Shock accumulation;Shock pulse;Influencing factor
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1 简介
随着新能源汽车保有量的不断增加，安全性是其一个重要的关注点。因此在动力电池系列产品设计中，需充分考虑到产品（电芯、模组、系统）在整车受到碰撞、撞击等强烈碰撞或在运输过程中颠簸等情况下，不会出现失效问题。机械冲击做为对以上潜在失效风险的验证测试项目，确定机械薄弱环节，考核结构的完整性。
2 机械冲击分类
机械冲击的重要参数：1）峰值加速度 2）脉冲时间 3）冲击波形 4）冲击方向 5）冲击次数。
按冲击波形分类：半正弦脉冲、后峰锯齿脉冲、梯形脉冲。
按冲击强度分类：1）高强度冲击：高加速度峰值，短脉冲时间，较少冲击次数；2）低强度冲击：低加速度峰值，长脉冲时间，较多冲击次数。
在锂电产品（电芯、模组、系统）机械冲击测试中，波形通常选择：半正弦脉冲；冲击强度如上所列，分别模拟：路面冲击与碰撞冲击。
3 机械冲击原理
以跌落式冲击台，进行半正弦冲击为例：
3.1 冲击波的产生
下图为冲击测试的实际波形与理想正弦曲线比较，同时对应的样品行进状态。
（如图）冲击波形与样品行进状态
质量为m（包括电池模组或系统、夹具、台面），样品由气缸提升至设定高度,之后可设为自由落体：在接触到缓冲介质前： v=√2gh；
物体初始可视为自由落体状态（如图点①处），当台面冲头下端的冲头与缓冲垫接触后（如图点②处），当台面下降至最低点（如图点③处）加速度达到峰值，台面上升进入（如图点④处），在台面相对静止后（如图点阶段⑤），可视为无限个峰值不断降低的正弦波形。
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3.2半弦波的获得
（如图）峰值加速度：15g 脉冲时间：11ms 波形：半正弦波
质量为m（包括电池模组、系统、夹具、台面），样品由气缸提升至设定高度,之后可设为自由落体：在接触到缓冲介质前： v=√2gh；
当台面冲头与缓冲垫接触后（假设缓冲垫弹性变量恒定为k）：
mg-kx=ma=m（d2x/dt2） (x>0)；
此时冲击波形刚刚转变为正弦型（如上图点①处），且因重力加速度作用，初始加速度为负值；
可将冲击波形视为理想的正弦波形曲线：
y=M sin（ωx+φ）+ b；
可得：
缓冲垫形变量 x=（-g/ω2）cosωt+(v/ω)sinωt+g/ω2=M sin（ωt+φ）+ g/ω2；
将t=0时，位移x=0；速度x’=√2gh 带入：
最大形变量 M=√[（g2/ω4）+（v2/ω2）]；
由缓冲垫形变量 x公式可得：
X’=ωM cos（ωt+φ）；
X’’= -ω2M sin（ωt+φ）；
假设|X’’max|为峰值加速度。
|X’’max|=Mω2=√（g2/+v2ω2）=g√（1+2h/x位移）；
缓冲垫形变量 x由0至再次回到0时，就是一次冲击的过程，持续时间为一个脉宽。
脉宽τ=2（π/2-φ）/ω，近似τ≈5π √（m/k）。
除样品质量、缓冲材料系数、下落高度（接触前速度）外、缓冲物质的动态形变量有关：
1）下落高度（即接触前速度），与峰值加速度直接相关，导致脉冲宽度减小；
2）缓冲物质的动态形变量，因缓冲材质不同压缩状态下弹性变量不同，冲击波形随着峰值的上升会同时收窄，对于曲线差值较小时，可能导致某些点偏出差值范围。
4 测试过程的影响因素
4.1 传感器的选择与安装
传感器作为对冲击台信息反馈的源头，肩负着测试过程采集、反馈与控制的任务。
传感器精度就显得尤为关键，冲击台的调试同样依赖与传感器精准的信息传递。选择传感器的精度就显得尤为重要，灵敏度较为粗糙，不能够反馈台面的真实信息，灵敏度过高，又容易受到噪声干扰。
传感器的安装通常选择在台面的中心或靠近样品较近的位置，因：通常样品居中安装、台面下端冲头通常设计于中心。这种安装方式可以更贴近于台面或样品的实际冲击情况。
传感器的与连接线必须坚固可靠，传感器与台面的粘合必须牢固可靠，防止测试因无信息传递而中断，或波形超出参数允差。
4.2 工装的影响
工装是连接样品与台面的介质，在进行工装设计时，要求样品（模组、系统）能够模拟整车的安装方式，通常通过挂耳或安装孔安装。在冲击过程中，样品在夹具间不能有间隙，使样品产生要求波形外的参数或使样品受到预期外的应力，在测试开始前进行紧固状态的检查。
工装安装应位于台面中心或接近于中心的位置，避免受到非设定冲击的影响。
4.3 设备调试
冲击应选择负载调试而不是空载调试，可使波形更趋近于要求波形且内参数允差范围内。
参考文献
[1]于治会.小型跌落冲击台的设计原理[J].凿岩机械气动工具,2002(01):1-9.
[2]GB/T 2298-1991?机械振动与冲击?术语
[3]吴潇,李占江.浅谈汽车行业中的振动试验[J].汽车电器,2018(01):48-51.
论文作者:李佳明
论文发表刊物:《中国电业》2019年9月18期
论文发表时间:2020/1/14
标签：波形论文; 台面论文; 样品论文; 峰值论文; 加速度论文; 脉冲论文; 机械论文; 《中国电业》2019年9月18期论文;