李博

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引言

鋰離子蓄電池在使用過程中存在爆炸和自燃等風(fēng)險(xiǎn)[1]。礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池應(yīng)用在爆炸性環(huán)境中，且大部分處于振動(dòng)狀態(tài)，振動(dòng)疲勞導(dǎo)致的防爆失效嚴(yán)重威脅煤礦井下生產(chǎn)安全。因此，研究振動(dòng)狀態(tài)下礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池隔爆結(jié)構(gòu)的可靠性、可持續(xù)高負(fù)荷輸出及電池管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行十分必要[2-3]。

目前針對礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池振動(dòng)試驗(yàn)的方法主要為正弦振動(dòng)，其參數(shù)：頻率為10～55 Hz，振幅峰值為0.35 mm或最大加速度為50 m/s2，3個(gè)相互垂直方向各掃頻循環(huán)5次。該試驗(yàn)方法主要針對鋰離子蓄電池組和電源的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度靜態(tài)、振動(dòng)特性和工藝缺陷進(jìn)行分析，不能反映電池組和蓄電池結(jié)構(gòu)疲勞壽命，在振動(dòng)狀態(tài)下的性能穩(wěn)定性、可靠性及蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，對激勵(lì)狀態(tài)下的振動(dòng)特性也反映不全面[4-5]。

隨機(jī)振動(dòng)一般不是針對單個(gè)現(xiàn)象，而是大量現(xiàn)象的集合。這些現(xiàn)象似乎是雜亂的，但從總體上看仍有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)相比,具有連續(xù)的頻譜,能同時(shí)在所有頻率上測試試件間相互作用，相比正弦振動(dòng)模擬實(shí)際振動(dòng)環(huán)境更嚴(yán)酷、更真實(shí)、更有效[6-7]。本文采用隨機(jī)振動(dòng)中常用的虛擬激勵(lì)法對礦用車載鋰離子蓄電池進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析。分析結(jié)果表明：隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)更適用于礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池最終定型試驗(yàn)和型式試驗(yàn)[8-9]。

1 隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)模型建立

采用虛擬激勵(lì)法和有限元通用軟件對礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池建立動(dòng)力學(xué)模型。考慮金屬部件和非金屬部件的剛度、接觸參數(shù)差異，基于實(shí)際裝配關(guān)系對殼體、內(nèi)部支撐框架、電池管理系統(tǒng)、電池組及主要緊固彈性構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析，保證主要部件的振型不被遺漏，分析被測樣品在隨機(jī)振動(dòng)條件下的響應(yīng)值和響應(yīng)分布[10-11]。測試流程如圖1所示。

圖1 測試流程

隨機(jī)振動(dòng)是任一時(shí)間瞬時(shí)值不能預(yù)先確定的機(jī)械振動(dòng)，無法用確定函數(shù)而須用概率統(tǒng)計(jì)方法定量描述其振動(dòng)規(guī)律[12]，其響應(yīng)可以通過n自由度隨機(jī)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程獲得。

MX+CY+GZ=f(t)

(1)

式中：M，C，G分別為電源振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)；X,Y,Z分別為位移、速度和響應(yīng)加速度矢量；f(t)為振動(dòng)激勵(lì)。

當(dāng)激勵(lì)為加速度φ(t)時(shí)，激勵(lì)運(yùn)動(dòng)可描述為

MX+CY+GZ=Maφ(t)

(2)

式中a為激勵(lì)加速度矢量。

對系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)求解，令f(t)=0，得到自由振動(dòng)方程：

MX+CY+GZ=0

(3)

2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

被測礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池結(jié)構(gòu)如圖2所示。依據(jù)應(yīng)力變化和疲勞損壞特點(diǎn)，在金屬部件和非金屬部件剛度不同的視窗處、接觸參數(shù)可能發(fā)生變化的導(dǎo)電片和電源輸出端子處、影響工作穩(wěn)定性的傳感器和通信連接處及影響隔爆性能的殼體處[13]布置8個(gè)加速度傳感器，以測試加速度響應(yīng)。布置位置：1號、2號傳感器布置在電池組導(dǎo)電片，3號傳感器布置在電池緊固梁處，4號傳感器布置在上蓋處，5號傳感器布置在視窗上，6號傳感器布置在電池管理系統(tǒng)通信線連接端子處，7號傳感器布置在電源輸出端子處，8號傳感器布置在內(nèi)置霍爾傳感器上。

1-霍爾傳感器；2-鉸鏈；3-門；4-螺栓；5-電池組導(dǎo)電片；6-鋰離子蓄電池；7-電池緊固梁；8-底靴；9-機(jī)芯；10-前門法蘭；11-視窗；12-前門；13-電源輸出端子；14-貼板；15-通信線連接端子；16-上蓋法蘭；17-上蓋；18-A1引入裝置；19-穿腔端子；20-手把。

參考GB/T 31467.3—2015《電動(dòng)汽車車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全性能要求與測試方法》對被測鋰離子蓄電池施加一個(gè)Y方向的單項(xiàng)180 Hz隨機(jī)激勵(lì)，并在電源80%最大負(fù)載工況下持續(xù)輸出8 h，測試其關(guān)鍵連接部位加速度響應(yīng)、接觸電阻、溫度和振動(dòng)前后隔爆間隙的變化。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表1為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)加速度響應(yīng)，其中g(shù)為重力加速度?？煽闯鐾徽駝?dòng)工況下不同的接觸點(diǎn)響應(yīng)差異較大，最大響應(yīng)速度在上蓋處，最小響應(yīng)速度在霍爾傳感器處。在長期振動(dòng)工況下，因振動(dòng)響應(yīng)不一致，在振動(dòng)惡劣的位置會(huì)先出現(xiàn)疲勞損壞，如：視窗和整個(gè)腔體振動(dòng)的不一致會(huì)導(dǎo)致隔爆間隙發(fā)生變化，從而影響隔爆腔體的防爆性能：輸出節(jié)點(diǎn)和導(dǎo)電片出現(xiàn)振動(dòng)疲勞會(huì)導(dǎo)致接觸電阻變大，局部溫度過高，而高溫環(huán)境容易導(dǎo)致鋰離子蓄電池薄膜老化或降解，從而引起電池自燃甚至爆炸；電池管理系統(tǒng)通信連接處如果出現(xiàn)疲勞破壞會(huì)導(dǎo)致電池管理系統(tǒng)監(jiān)控失效，嚴(yán)重影響電池組可靠性[14]。

表1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)加速度響應(yīng)(Y方向)

表2為振動(dòng)試驗(yàn)前后接觸電阻、溫度和隔爆間隙的變化，其中R1代表電池組到DC/DC輸入端間接觸電阻，R2代表DC/DC輸出端到接線腔端子間電阻。

表2 隨機(jī)振動(dòng)前后鋰離子蓄電池參數(shù)變化

從表2可看出，被測鋰離子蓄電池經(jīng)過8 h的振動(dòng)試驗(yàn)，隔爆腔體和殼蓋處的隔爆間隙雖然還滿足I類防爆電氣設(shè)備的要求，但隔爆間隙顯著增大，在該工況下長期使用存在隔爆失效(傳爆)的風(fēng)險(xiǎn)；蓄電池正極接線柱由于工藝、材質(zhì)或緊固期間裝配的原因，接觸電阻變大，導(dǎo)致局部發(fā)熱量明顯增加，如果溫度持續(xù)上升可導(dǎo)致鋰離子蓄電池薄膜融化，存在燃燒甚至爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

因此，鋰離子蓄電池在整體設(shè)計(jì)和完善階段要多考慮裝配體的模態(tài)分析，關(guān)鍵部件盡量降低振動(dòng)響應(yīng)，并在振動(dòng)響應(yīng)較大的位置通過隔振、減振、改變振動(dòng)方向、增加阻尼等方式降低局部振動(dòng)。

4 結(jié)語

對礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池施加隨機(jī)激勵(lì)，并從加速度響應(yīng)、接觸電阻、溫度和隔爆腔體間隙變化4個(gè)方面分析了鋰離子蓄電池在振動(dòng)工況下可能產(chǎn)生的防爆性能和電氣性能變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中能充分暴露產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，可為鋰離子蓄電池整體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力變化、工作穩(wěn)定性分析和疲勞壽命預(yù)測提供有效的數(shù)據(jù)支持。在開發(fā)和定型環(huán)節(jié)基于鋰離子蓄電池隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可有效消除由于使用工況中振動(dòng)因素導(dǎo)致的隔爆間隙變大、接觸電阻升高、緊固件疲勞等安全隱患。