测试标准及要求

 

一、测试标准

 

 

 

近年来，随着电动汽车行业的飞速发展，海内外陆续发布了一系列电动汽车用动力电池系统的振动测试标准。但是针对飞机用动力电池组，国内外还没有统一以及完善的振动测试标准，目前主要参照常规飞机电气零部件的振动测试标准。基于RT⁃CA−DO−311和RTCA−DO−160F 标准，选用它的振动试验部分，对所选动力电池组进行了振动测试及分析。RTCA−DO−160F是由RTCA 135特别委员会制定，且在2007年12月6日发布的机载设备环境条件和测试程序。其测试、测试等级和限值适用于现在实际使用的所有类型的航空器，包含小型通用航空器、商业喷气式飞机、直升机、区域喷气式飞机和大型喷气式飞机。文件规定了机载设备一系列最低标准、环境测试条件分类和适用的测试程序。这些测试的目的是提供一种实验室手段，用于确定机载设备在实际环境条件下的性能特征，这些特征预示了设备在空中操作时可能发生的情况。

 

 

 

RTCA−DO−160F中给出了各种航空器的振动测试类别、测试曲线、测试要求及测试程序，其描述的振动测试适用于安装在固定翼螺旋桨航空器、固定翼涡轮喷气飞机、涡轮风扇以及改装涡轮风扇航空器和直升飞机上的设备。锐翔电动飞机为普通运动型飞机，其设备只需满足标准振动测试即可。

 

 

 

固定翼飞机的标准振动试验表明，机载设备需满足飞机正常运行条件下所经历的振动环境中的功能性能要求。因此选取RTCA−DO−160F中的图，如图7所示。图中给出了6种加速度均方值（Grms）下的加速度功率谱密度（PSD）随频率变化的曲线。从图中看出7.94g和8.92g的加速度均方值曲线在500Hz时出现峰值0.08g2∕Hz，加速度功率谱密度最大值主要在（0～500）Hz低频部分，（500～2000）Hz高频部分的数值呈直线减小且小于低频部分。

 

 

 

图7 振动测试曲线

 

 

根据RTCA−DO−311标准中的及前文中飞机的实况振动测试数据。飞机振动功率谱密度主要集中于（0～500）Hz间，很少部分存在于（500～2000）Hz的部分。因此选取并制定适用于锐翔飞机的企业标准：只对（0～500）Hz频段进行振动测试。

 

 

 

二、测试要求

 

 

 

根据RTCA−DO−160F的测试标准，有如下的测试要求，且适用于所有振动测试：

 

 

 

（1）安装待测设备，确保输入振动与三个主要的正交轴之一相平行。使用的任何测试夹具应尽可能的坚固和对称。应利用设备规范中所规定的方法，将设备系在固件或振动台上；

 

 

 

（2）在适用的地方，加速度计应固定在承受振动的设备物件上，从而测量并记录设备在振动轴向上的振动反应，确定共振频率和放大倍数；

 

 

 

（3）控制加速度计应附着在离安装于测试每个轴向位置上的设备尽可能近的测试夹具上。将一个以上的加速度计用于测试电平控制时，正弦测试平均加速度计控制信号或随机测试平均加速度功率谱密度应当作测试电平控制来使用。对于所有振动输入类型，应有合适的图谱或APSD（自功率谱密度）来证明控制水平满足测试电平的要求；

 

 

 

（4）随机振动信号应呈现出高斯分布，并且控制信号的瞬时振动加速度峰值可以限制在Grms加速水平的三倍上；

 

 

 

（5）测量正弦加速度的设备系统精度应在加速度的±10%以内，频率的±2%以内；

 

 

 

（6）如果随机振动测试要求超过振动测试系统的电源容量，测试可以在（10～600）Hz 以及（600～2000）Hz 的频带上执行，规定的测试时间应该应用于每个频带上。

 

 

 

振动实验与分析

 

基于RTCA−DO−160F 的振动测试标准，并依据第2 节中实际测试所得数据，制定了适于锐翔飞机动力电池的测试程序。在实验室中进行了一系列振动测试实验，验证了所选动力电池组携带或运输过程中遇到振动条件下的安全可靠性。

 

 

 

振动实验所用的仪器和设备主要包括：飞机用锂离子动力电池包、振动试验系统、充电机、加速度传感器、电压测量装置、电流测量装置、温度测量装置、绝缘电阻测试仪等。所有仪器和设备状况良好且满足精度要求。

 

 

 

一、测试方法

 

 

 

RTCA−DO−160F测试标准规定，正弦测试在设备运行的情况下执行，扫描循环从最低到最高（升频扫描），再到带有不超过1.0 倍频∕分的最低（下向扫描）特定频率的合适频率范围内改变振动频，振动持续时间不少于1h，输入振动幅值不低于0.5mm；随机测试在设备没有运行的情况下执行，以不超过1.0 倍频∕分的扫描率执行（10～2000）Hz 的正弦扫描，测试时间为每轴最少1h。由第2节中对电池实际振动工况的测试和分析，我们知道：电池在整个测试过程中时域信号出现的最大值为3.38g，均方根值出现的最大值为1.46g；电池振动的能量主要集中分布在（0～500）Hz范围内，很少部分存在（500～1000）Hz。

 

 

 

综合考虑所选电池的实况测试结果以及测试标准中的相关规定，我们最终确定的扫频方式为：对电池执行扫速为0.5倍频程∕分的正弦振动，其中（5～54）Hz为0.5mm的固定位移幅值，（54～500）Hz为6g的固定加速度幅值；三个轴向分别执行1次；振动时间为每个轴向1h。具体测试程序如下：

 

 

 

（1）测试前，电池需静放20h，测试所处的环境温度为27.3°C。

 

 

 

（2）对试验电池执行功能测试，包括电压，电量，内阻等。

 

 

 

（3）电池按标准充电后，以1 A放电10min。标准充电的方法为：①在规定的环境条件下，以12.5A的恒定电流充电使每个单体电压至4.15V，静放30s；②将电流降至6.3A，恒定电流充电使每个单体电压至4.15V，静放30s；③将电流降至3.1A，恒定电流充电使每个单体电压至4.15V，静放30s；④将电流降至1.6A，恒定电流充电使每个单体电压至4.15V，停止充电。标准放电的过程为：在规定环境条件下，以25A恒流放电到任意单体电压≤2.5V时停止。

 

 

 

（4）将电池组固定在振动试验机上，按照下面的条件进行随机振动试验：电池执行扫速为0.5倍频程∕分钟的正弦振动，其中（5～54）Hz为0.5mm的固定位移幅值，（54～500）Hz为6g的固定加速度幅值；三个轴向分别执行1次，振动时间为每个轴向1h；振动前每个轴向执行扫频一次，随机振动条件，如表2所示。

 

 

 

表2 振动参数

 

 

 

（5）分别在电池正极与壳体、负极与壳体间施加500V DC，测量绝缘电阻持续60s；

 

 

 

（6）在室温条件下，进行标准充电；

 

 

 

（7）将电池按表3进行1次工况测试，测试过程中单体电压≤2.5V则停止测试。测试曲线，如图8所示。并且测试前后电池电压，电阻的记录表，如表4、表5所示。

 

 

 

表3 工况测试参数表

 

图8 工况测试曲线

 

 

表4 电池电压记录表

 

 

表5 电池内阻记录表

 

 

 

二、实验结果与分析

 

 

 

实验前后，电池壳体无破裂、无尺寸变形、无部件松动、无漏液、无漏气、无金属镀层脱落；电池满足快放要求、绝缘层无失效、电压或电流无锐减或中断、通讯正常、绝缘内阻≥500Ω∕V。实验结果符合测试标准的各项要求，并且满足飞机的使用要求。

 

 

 

结语

 

首先完成了整机实况振动测试，采集并分析了实验数据，得到了电池组振动特性分析结果；制定测试标准，进行实验室试验。其中整机测试多点位、多工况具有代表性，确定测试标准及要求后的振动台测试，扫频及测试时序保证测试结果真实有效。综上得如下结论：

 

 

 

（1）鉴于通航没有通用的电动飞机振动测试标准，根据锐翔电动飞机的实况振动数据，能量主要集中在（0～500）Hz频段，结合RTCA−DO−160F 振动测试的（0～500）Hz 频段的测试曲线，拟定与研发相应适航测试标准，提出了一种有效的测试方法，再进行实验室试验，方法有效且结果满足测试要求。

 

 

 

（2）对新能源飞机用动力电池组振动问题的分析和研究以及适航性具有指导意义。

 

 

 

（3）在没有完善的电动飞机适航测试标准前，可采纳传统飞机的适航测试标准。可根据电动飞机电池组振动特点，对传统飞机的测试标准进行取舍。