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動力電池溫度沖擊試驗解析

作者: 網(wǎng)絡(luò) 編輯: 瑞凱儀器 來源: litaoweb.cn 發(fā)布日期: 2021.04.01
    在近期發(fā)布了GB 18384-2020《電動汽車安全要求》、GB 38032-2020《電動客車安全要求》和GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項強制性國標并將于明年開始正式實施。這使得廠家對于車用動力電池的安全可靠性考核變得尤為重要。
     本文所介紹的溫度沖擊試驗,源自于電子電工產(chǎn)品通用環(huán)境試驗要求,通過對試中的溫度變化范圍、暴露時間、溫度轉(zhuǎn)換時間的嚴格要求,溫度沖擊試驗逐漸成為軍工、核電、航天、船用領(lǐng)域為常見的加速環(huán)境試驗項目。隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展,動力電池的安全可靠性、環(huán)境適應(yīng)性要求越來越高,溫度沖擊試驗往往成為企業(yè)對于動力電池可靠性的必要評估手段。
    試驗?zāi)康?/span>
    溫度沖擊試驗是為了確定動力電池耐環(huán)境溫度快速變化的能力,對于新能源汽車而言,雖然實際應(yīng)用中并不會經(jīng)常遇到如此快速轉(zhuǎn)換時間的工況,但溫度沖擊試驗是通過一種加速試驗來模擬車輛在使用過程中大量的慢溫度循環(huán),快速考核出動力電池內(nèi)各種材料、密封圈及關(guān)鍵零部件的失效程度,有效避免動力電池在使用過程因溫度快速變化引發(fā)失效而導(dǎo)致的意外事故。
    試驗解析
    溫度沖擊試驗主要參考ISO 16750-4以及IEC 60068-2-14兩份標準,比GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中規(guī)定的溫度沖擊試驗更為的嚴酷,轉(zhuǎn)換時間更短,不得大于30s,

    整個溫沖試驗周期中包含了低溫溫度TA、高溫溫度TB、持續(xù)時間t1、高低溫轉(zhuǎn)換時間t2、溫度恢復(fù)時間、溫度穩(wěn)定持續(xù)時間和沖擊次數(shù),根據(jù)產(chǎn)品的不同應(yīng)用工況確定上述試驗參數(shù),來加速考核產(chǎn)品的實際性能。

圖1 標準規(guī)定溫沖曲線

圖1 標準規(guī)定溫沖曲線

圖2 實際試驗溫沖曲線

圖2 實際試驗溫沖曲線

    試驗設(shè)備

    主流的溫度沖擊箱結(jié)構(gòu)主要有提籃式兩箱和充氣式三箱結(jié)構(gòu),主要差異在于樣品的移動與否,提籃式結(jié)構(gòu)就是樣品跟隨提籃在兩個溫度箱之間移動切換,承受溫度應(yīng)力對樣品的沖擊,而充氣式結(jié)構(gòu)能使樣品保持不動,通過蓄冷箱和蓄熱箱往樣品室充氣來實現(xiàn)樣品經(jīng)受溫度沖擊的效果。對于提籃式結(jié)構(gòu),常規(guī)一立方以內(nèi)的溫沖箱均為上下提籃結(jié)構(gòu),可有效節(jié)約設(shè)備占地面積,大型步入式溫沖箱則為左右提籃結(jié)構(gòu),為了滿足大承重樣品的測試要求。


圖4 溫沖試驗控制界面圖

溫沖試驗控制界面圖

圖5 大型溫度沖擊箱

大型溫度沖擊箱


    非標溫沖試驗箱是針對定制化的客戶需求,如三個不同溫區(qū)間沖擊、低溫與低溫沖擊、高溫與高溫沖擊,高溫高濕與低溫沖擊(霜凍試驗),使得非標溫沖箱在市面上也具有一定的占有率,非標結(jié)構(gòu)的溫沖箱由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化,其溫沖范圍甚至可以擴大至250℃~-70℃,滿足更多產(chǎn)品種類的測試需求。

圖6非標溫沖箱

非標溫沖箱

    關(guān)鍵參數(shù)
     溫度沖擊試驗作為一個加速試驗,轉(zhuǎn)換時間和恢復(fù)時間兩大關(guān)鍵參數(shù)起到了至關(guān)重要的決定性影響。
    (1)轉(zhuǎn)換時間:溫度沖擊箱區(qū)別于其他環(huán)境試驗箱的根本差別在于其機械結(jié)構(gòu)部分,溫度沖擊箱主要由蓄冷箱、蓄熱箱和提籃結(jié)構(gòu)組成,樣品在提籃的帶動下在蓄冷箱和蓄熱箱之間快速轉(zhuǎn)換起到溫度沖擊的效果,整個沖擊過程中需要盡可能的避免樣品出現(xiàn)位移,這就需要測試人員在試驗初期對樣品結(jié)構(gòu)提前進行預(yù)估,對可能產(chǎn)生的影響進行判斷后對樣品進行加固處理,同時移動提籃在滿足標準轉(zhuǎn)換時間的情況下,必須要做到緩起和緩?fù)5囊螅苊鈽悠吩诮?jīng)受溫度沖擊的同時仍經(jīng)受額外的機械碰撞的應(yīng)力影響,導(dǎo)致后期在樣品失效分析上難以辨別失效模式。

    (2)恢復(fù)時間:溫度沖擊試驗中另一個典型參數(shù)是恢復(fù)時間,標準中規(guī)定的恢復(fù)時間指提籃內(nèi)空氣溫度的恢復(fù)時間,也可根據(jù)客戶要求將恢復(fù)時間定義為樣品恢復(fù)時間。對于前者,在測試過程中測試工程師可根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置蓄冷和蓄熱溫度來使提籃的空氣溫度恢復(fù)時間控制在標準規(guī)定的0.1倍暴露時間內(nèi)或客戶要求的恢復(fù)時間范圍內(nèi),而對于后者,僅利用蓄冷蓄熱溫度并不能有效的使樣品快速恢復(fù)到目標溫度,這就需要測試工程師前期對樣品進行預(yù)試驗,根據(jù)樣品的發(fā)熱情況,調(diào)整試驗預(yù)設(shè)參數(shù),使樣品能夠迅速的達到預(yù)期溫度,起到縮短試驗時間的目的。

圖7 溫沖試驗樣品整體溫度采集數(shù)據(jù)曲線

溫沖試驗樣品整體溫度采集數(shù)據(jù)曲線

    數(shù)據(jù)采集
     對于動力電池溫度沖擊試驗,比較復(fù)雜的是,在試驗過程中對電池產(chǎn)品自身進行數(shù)據(jù)采集,監(jiān)控整個溫沖試驗過程中的溫濕度、電壓電流、振動位移量級、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)等,有效記錄和儲存產(chǎn)品各項性能指標,避免電池產(chǎn)品在試驗過程中出現(xiàn)異常情況而產(chǎn)生爆炸的危險,也可通過各項采集數(shù)據(jù)對樣品進行改進和優(yōu)化處理。

    另外,整個采集過程需要根據(jù)樣品的結(jié)構(gòu)特點布置具有代表性的位置,才能采集出具有代表意義的數(shù)據(jù),通常應(yīng)變片會布置在樣品的焊縫處、孔位位置、折邊位置等應(yīng)力較大區(qū)域,熱電偶會布置于電芯、正負極、熔斷位置、樣品表面等溫度波動較大位置,振動傳感器會布置在上蓋點、下蓋橫梁、螺栓固定位置等具有代表性位置,除了憑試驗經(jīng)驗布點外,還可以通過簡單的模態(tài)仿真確定出可能的應(yīng)力集中位置進行采集點布置,避免不必要的布點,從而減少試后數(shù)據(jù)處理的工作量。

圖8 試驗內(nèi)箱

試驗內(nèi)箱

圖9 采集傳感器

采集傳感器

圖10 溫沖應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線

溫沖應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線

    失效分析手段
     電池產(chǎn)品的可靠性失效分析包括電芯、模組、電池包零部件以及所有規(guī)格電池包的標準測試需求。溫度沖擊試驗中,試驗樣品經(jīng)常會遇到材料變形、焊點開裂、涂覆層龜裂等失效現(xiàn)象,針對上述問題,我們可以在試驗初期通過應(yīng)力仿真和熱仿真的手段提前對樣品進行分析,找出可能出現(xiàn)的問題點提早進行解決和優(yōu)化,避免樣品整體在溫度沖擊過程中出現(xiàn)大面積失效的現(xiàn)象,另外,通過試中采集到的各項數(shù)據(jù)來優(yōu)化仿真模型,為樣品的結(jié)構(gòu)改進積累數(shù)據(jù)經(jīng)驗,優(yōu)化電池產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)。

    對于溫度沖擊試中出現(xiàn)的局部結(jié)構(gòu)變形或者材料失效,可通過失效分析的手段對失效部位進行無損或切片分析觀察其微觀結(jié)構(gòu),找出材料失效原因改進材料性能,優(yōu)化產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)設(shè)計,提升產(chǎn)品可靠性。

圖11 具體位置熱仿真

具體位置熱仿真

圖12 X光照射焊點裂紋圖

X光照射焊點裂紋圖

    篇后語
     溫度沖擊環(huán)境可靠性測試,仍有很多注意要點有待我們?nèi)パ芯亢头治觥?/span>
    今后的主要研究方向會從溫度沖擊試驗后樣品的失效模式和樣品結(jié)構(gòu)的耐溫沖性能入手,尋求更優(yōu)的樣品結(jié)構(gòu)和選材。 
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