金 挺，李 雷，宋 揚(yáng)，王彩娟

（吳江出入境檢驗(yàn)檢疫局電池產(chǎn)品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215200）

鋰離子電池具有比能量大、比功率高、自放電小、循環(huán)特性好以及可快速充電且效率高、工作溫度范圍寬、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鎘鎳電池和氫鎳電池。世界各國(guó)都在研究開(kāi)發(fā)環(huán)保型鋰離子電池作為電動(dòng)自行車用電池的替代品。電動(dòng)自行車用鋰離子電池要求性能安全可靠，充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)，電池一致性好，高溫性能和抗振動(dòng)性能好。

鋰離子電池抗振動(dòng)性的研究主要是模擬電池在運(yùn)輸和使用過(guò)程中頻繁振動(dòng)和撞擊對(duì)電池或電池組的性能、安全性和壽命的影響。本文就電動(dòng)自行車用鋰離子電池在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的失效問(wèn)題進(jìn)行了分析，并結(jié)合不同的振動(dòng)模式對(duì)電池性能的影響展開(kāi)討論。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)(DC-5000-50，DC-1000-10，蘇州蘇試實(shí)驗(yàn)儀器股份有限公司)，BT2000 充放電設(shè)備（美國(guó)Arbin）。

實(shí)驗(yàn)材料為4 家廠商生產(chǎn)的共4 批次電動(dòng)自行車用鋰離子電池組，分別為24 V/6.6 Ah（樣品組1）、48 V/10 Ah（樣品組 2）、24 V/7 Ah（樣品組 3）、24 V/9 Ah（樣品組 4）；每批次樣品數(shù)3 個(gè)。

1.2 測(cè)試條件和方法

實(shí)驗(yàn)1 遵照UN38.3 標(biāo)準(zhǔn)[1]。實(shí)驗(yàn)方法針對(duì)電池和小型電池組：電池和電池組以不使電池變形以便正確地傳播振動(dòng)的方式緊固在振動(dòng)機(jī)平面上，從7 Hz 開(kāi)始保持1 gn 的最大加速度直到頻率達(dá)到18 Hz。然后將振幅保持在0.8 mm（總偏移1.6 mm）并增加頻率直到最大加速度達(dá)到8 gn（頻率約為50 Hz），將最大加速度保持在8 gn 直到頻率增加到200 Hz，頻率在7～200 Hz 之間擺動(dòng)再回到7 Hz 的對(duì)數(shù)掃頻為時(shí)15 min。這一振動(dòng)過(guò)程須對(duì)3 個(gè)互相垂直的電池安裝方位的每一個(gè)方向都重復(fù)進(jìn)行12 次，總共為時(shí)3 h。評(píng)價(jià)：《聯(lián)合國(guó)關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)手冊(cè)》測(cè)試中的項(xiàng)目，振動(dòng)強(qiáng)度大，目前應(yīng)用最為普遍。

實(shí)驗(yàn)2 遵照GB/Z18333.1-2001[2]。蓄電池緊固到振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，按下述條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：放電電流：1×I3(A)；振動(dòng)方向：上下單振動(dòng)；振動(dòng)頻率：30～35 Hz；最大加速度：30 m/s2；振動(dòng)時(shí)間：2 h。評(píng)價(jià)：測(cè)試振動(dòng)對(duì)電池放電性能的影響，基本以中低頻單振動(dòng)為主，實(shí)際影響不是很大。

實(shí)驗(yàn)3 遵照QB/T2947.3-2008[3]。電池以大平面方向緊固在振動(dòng)臺(tái)上。對(duì)電池施以振幅為2 mm，頻率為16.7 Hz，時(shí)間為1 h 的垂直振動(dòng)。評(píng)價(jià)：中低頻定振幅振動(dòng)，可以用于檢測(cè)內(nèi)部元器件固定的可靠性，效果不明顯。

實(shí)驗(yàn)4 遵照IEC62660-2-2010[4]。測(cè)試單體電池的每個(gè)面，測(cè)試8 h，r.m.s.加速度值應(yīng)為27.8 m/s2，最大頻率為2000 Hz。功率譜密度vs.頻率值分別為 {(10,20），(55,6.5)，(180,0.25)，(300,0.25)，(360,0.14)，(1000,0.14)，(2000,0.14)}。隨機(jī)振動(dòng)主要針對(duì)車用動(dòng)力電池鋰電池單體，作為對(duì)電池組測(cè)試也可作為參考，針對(duì)模擬運(yùn)用比較有實(shí)際意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械損傷

2.1.1 外部損傷

UN38.3 標(biāo)準(zhǔn)中的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)是模擬電池在運(yùn)輸過(guò)程中所受到的應(yīng)力測(cè)試。圖1 和圖2 分別給出了樣品組1 和2 在這一振動(dòng)實(shí)驗(yàn)下的外觀結(jié)果。從圖1(b)可以清晰看到，在實(shí)驗(yàn)電池組的側(cè)邊塑料外殼相應(yīng)位置出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。圖2 中一個(gè)電池組的后蓋開(kāi)裂，更為嚴(yán)重的是一個(gè)電池組的后蓋脫落。按照UN38.3 標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的接受判定，實(shí)驗(yàn)后的樣品應(yīng)無(wú)質(zhì)量損耗、無(wú)泄漏、無(wú)泄氣、無(wú)破裂、無(wú)著火，并且電池的開(kāi)路電壓不低于初始值的90%。對(duì)實(shí)驗(yàn)后樣品的電壓和質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)在樣品組1 中的一個(gè)電池組無(wú)輸出電壓，另外兩個(gè)電壓不低于初始電壓的90%。

圖1 樣品組1振動(dòng)前后的外觀

圖2 樣品組2振動(dòng)后的外觀

（1）塑料熔化現(xiàn)象分析

圖1(a)給出了樣品組1 中3 個(gè)電池組的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)固定位置，再結(jié)合圖1(b)中電池組殼體的塑料熔化位置來(lái)看，是由受測(cè)樣品相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦生熱產(chǎn)生，出現(xiàn)殼體塑料有熔化現(xiàn)象的可能原因有：1）電池組之間的固定過(guò)于緊密，由于電池組主體同一位置有突出部分，所以在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了摩擦，熱量產(chǎn)生致使殼體部分位置熔化；2）電池組固定時(shí)，壓條（桿）擠壓電池組，導(dǎo)致同一部位變形后接觸，在振動(dòng)中產(chǎn)生摩擦，特別是當(dāng)樣品在共振階段擺動(dòng)幅度增大，從而增大摩擦程度。此外，目前大多數(shù)電池組保護(hù)線路中都帶有溫度保護(hù)功能，但振動(dòng)過(guò)程中電池局部溫度異常升高也不可避免，應(yīng)采取相應(yīng)措施對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。

（2）后蓋開(kāi)裂及脫落分析

樣品組2 中電池組的外殼主要由中間鋁殼和兩端塑料外殼組成。圖2 中電池組后蓋的開(kāi)裂及脫落，直接原因歸結(jié)于材料本身的強(qiáng)度以及外殼固定強(qiáng)度不夠（如螺絲固定太松）。從電池組的組裝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，電池芯固定于整體的中后部，在振動(dòng)過(guò)程中直接碰撞底部塑料外殼，加之底部后蓋及固定螺絲強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致后蓋破裂，電池芯極有可能沖出殼體，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

外部損傷是振動(dòng)中常見(jiàn)的一種機(jī)械損傷，易于判斷。除上述現(xiàn)象外，還有破裂、變形、劃痕等問(wèn)題。在保證振動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的條件下，合理的電池組擺放和緊固方式是要特別注意的問(wèn)題，包括與振動(dòng)臺(tái)體接觸面的選擇、傳動(dòng)受力點(diǎn)的選擇、控制電池形變、減少共振的影響等。

2.1.2 內(nèi)部損傷

與外部損傷的外觀觀察相比，電池組內(nèi)部損傷的判斷需要通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和拆解分析得到。在無(wú)電壓輸出的情況下，通常認(rèn)為電池在振動(dòng)中發(fā)生了短路保護(hù)。首先采用充電的方式來(lái)激活電池；如果仍然無(wú)電壓輸出，則將電池進(jìn)行拆解分析。通過(guò)對(duì)樣品組1 中無(wú)輸出電壓電池組的拆解（圖3），發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部線路連接無(wú)異常，各電池芯單體電壓輸出也正常。但是發(fā)現(xiàn)一組并聯(lián)電池芯連接的鎳帶發(fā)生斷裂，保護(hù)電路板監(jiān)測(cè)到電壓異常，電池組無(wú)法輸出電壓，經(jīng)重新連接后電池組的電壓輸出正常。從結(jié)構(gòu)上看，該電池組的電芯連接以塑料框架及鎳帶（鎳帶經(jīng)過(guò)模具定型彎折）為主。因此，在高頻振動(dòng)階段，電池芯的鎳帶連接處很容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。此外，斷裂的鎳帶極其鋒利，在振動(dòng)過(guò)程中極可能會(huì)造成內(nèi)部短路，存在較大的安全隱患。

圖3 樣品組1中某一電池組的拆解圖

內(nèi)部損傷一般從外觀很難辨別，經(jīng)拆解后主要表現(xiàn)為電路板開(kāi)、短路，元器件裝配不當(dāng)而松脫，相鄰元器件短路，元器件管腳或?qū)Ь€斷裂，虛焊或焊接不良，粘接不牢，連線松脫或者連接不良，緊固件或護(hù)墊松動(dòng)等，暴露出元器件及結(jié)合部潛在的缺陷。

2.2 容量的損耗

對(duì)樣品組3 中的樣品進(jìn)行了振動(dòng)放電的對(duì)比研究。圖4給出了樣品組3 中某一樣品在振動(dòng)和無(wú)振動(dòng)情況下的放電曲線。從圖4 可以看出，二者具有類似的放電曲線。但是在無(wú)振動(dòng)的情況下，放電速率較快，當(dāng)電壓降至24 V 時(shí)，電池的放電容量約為4.8 Ah；而在振動(dòng)情況下，電壓降至24 V 時(shí)，電池的放電容量約為3.0 Ah。這表明振動(dòng)在一定程度上有利于減緩電池的放電。無(wú)振動(dòng)情況和振動(dòng)情況下，最終的放電容量分別為8.3105 和8.1808 Ah。這進(jìn)一步表明振動(dòng)放電對(duì)電池組容量的影響較小。

2.3 質(zhì)量損失和電壓降

圖4 樣品組3中同一樣品的放電曲線

振動(dòng)實(shí)驗(yàn)前后，電壓和質(zhì)量的監(jiān)測(cè)能夠快速識(shí)別電池是否失效。UN38.3 和GB/Z18333.1-2001 標(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定，振動(dòng)實(shí)驗(yàn)前后要對(duì)樣品進(jìn)行稱重，用質(zhì)量損失來(lái)判斷電池是否有泄漏、漏液、泄放等現(xiàn)象；UN38.3 和QB/T2947.3-2008 標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定，在實(shí)驗(yàn)前后要對(duì)樣品進(jìn)行電壓測(cè)量，用電壓降來(lái)判斷電池性能的可靠性。

在質(zhì)量損耗方面，樣品組1 的各個(gè)電池組的質(zhì)量損耗都小于0.1%，表明電池并無(wú)電解液的泄漏和泄放等現(xiàn)象。除發(fā)現(xiàn)振動(dòng)后電池?zé)o電壓輸出外，在樣品組4 進(jìn)行UN38.3 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)電池樣品的電壓降大于10%，超出了標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。電池組拆解后，監(jiān)測(cè)到各單體電芯的電壓輸出正常，只有電芯和電池組電路板連接處的鎳帶發(fā)生斷裂現(xiàn)象，初步認(rèn)為是組裝焊接工藝不良造成的。進(jìn)一步對(duì)保護(hù)板進(jìn)行電壓檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其啟動(dòng)保護(hù)功能，從而導(dǎo)致電壓輸出異常。由于此保護(hù)功能屬于硬件保護(hù)（板載保險(xiǎn)絲），因此恢復(fù)比較困難。

2.4 振動(dòng)模式的對(duì)比

機(jī)械振動(dòng)能使電池組原有的微小缺陷和損傷經(jīng)多次交變應(yīng)力作用而擴(kuò)大，造成電氣及機(jī)械性能發(fā)生變化或其結(jié)構(gòu)破壞[5]。相比正弦振動(dòng)的規(guī)律性而言，隨機(jī)振動(dòng)在實(shí)驗(yàn)期間各個(gè)頻率同時(shí)產(chǎn)生激勵(lì)，不能單純用確定性函數(shù)來(lái)描述，一般以功率譜密度來(lái)表示，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中隨機(jī)振動(dòng)更能凸顯出其優(yōu)勢(shì)，有效地剔除早期的失效情況，IEC62660-2-2010 對(duì)車用動(dòng)力電池鋰電池單體的振動(dòng)測(cè)試同樣也可以在電池組測(cè)試中加以應(yīng)用。

3 結(jié)論

借助于不同的振動(dòng)模式，對(duì)電動(dòng)自行車用鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了模擬。從機(jī)械的內(nèi)外部損傷和電性能的衰退方面分析了電池在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后的失效。隨機(jī)振動(dòng)比正弦振動(dòng)更能有效模擬實(shí)際振動(dòng)狀況。失效分析的研究有助于電池的設(shè)計(jì)，同時(shí)為鋰電池的安全性提供可靠性的保障。

[1]United Nation.ST/SG/AC.10/11/Rev.5/Amend.138.3 Recommendation on the Transport of Dangerous Goods Manual of Test and Criteria Fifth Recised Edition Amendment 1[S].New York： United Nations Publication,2011.

[2]全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/Z 18333.1-2001 電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[3]全國(guó)自行車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).QB/T 2947.3-2008 電動(dòng)自行車用蓄電池及充電器第3 部分：鋰離子蓄電池及充電器[S].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2008.

[4]Internatonal Electrotechnical Commission.IEC 62660-2-2010 Secondary Lithium-ion Cells for the Propulsion of Electric Road Vehicles-Part 2 Reliability and Abuse Testing[S].Switzerland： IEC Central Office,2010.

[5]章新瑞，任占勇.可靠性試驗(yàn)中環(huán)境應(yīng)力與產(chǎn)品故障機(jī)理間關(guān)系研究[J].環(huán)境技術(shù)，2000，5：7-11.