鮑 強，李小鵬

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 附屬高級技術(shù)學(xué)校，天津 300222)

新能源動力電池作為能源汽車最關(guān)鍵的核心組成部分，直接影響到新能源汽車的使用性能及安全性。因新能源汽車自身的短板問題，在使用過程中會突然發(fā)生汽車起火、自燃等事故。 據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，電動汽車起火的多數(shù)原因皆因動力電池造成的，其中有電池材料的質(zhì)量問題，也有電池機械可靠性不足造成的問題。而機械沖擊測試就是檢驗考核新能源動力電池性能的可靠性及安全性的重要測試手段。

新能源電動汽車對于促進我國現(xiàn)代工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和我國低碳環(huán)保經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展都有極為重要的作用，新能源汽車的普及發(fā)展對汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展也極為重要的。新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展時認為，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展帶動了動力電池行業(yè)的不斷進步。其中磷酸鐵鋰電池市場占有率持續(xù)提升，鋰、鈷、鎳等為代表的資源將成為動力電池的稀缺資源。認為動力電池中的鋰電池發(fā)熱、自燃、自爆事件的時有發(fā)生，會造成一定的人身傷害及財產(chǎn)損失，給大家?guī)砹丝謶?。新能源汽車的最大風(fēng)險是新能源動力電池發(fā)生損毀后引發(fā)的火災(zāi)事故，或電池損毀及機械性能下降后更換電池組帶來的巨大維修成本。不同品牌新能源汽車使用的電池類型有所差異，該研究重點探討不同類型的新能源動力電池在不同沖擊加速度下的性能。

1 建模方式與仿真試驗設(shè)計

動力電池即為工具提供動力來源的電源，多指為電動汽車、電動列車、電動自行車等提供動力的蓄電池，該動力取代了汽油和柴油燃料，成為了電動汽車或電動自行車的行駛動力電源。目前市場上已經(jīng)商業(yè)化的動力電池主要為鋰離子電池、鎳氫電池、鈉硫電池、鉛酸電池等相關(guān)種類。

為了分析以上幾種動力電池的機械性能，構(gòu)建仿真模擬下的動力電池在正常運行、碰撞、擠壓、碾壓等不同狀況下對新能源汽車及電池的影響，通過動力電池的結(jié)構(gòu)力學(xué)概念在外載荷作用的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等不同規(guī)律下，對電極結(jié)構(gòu)(內(nèi)阻、轉(zhuǎn)化率)、絕緣結(jié)構(gòu)(損毀、轉(zhuǎn)化率)、電解液容器(損毀、轉(zhuǎn)化率)結(jié)構(gòu)的影響。

Matlab構(gòu)建結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，使用Simulink仿真電化學(xué)過程，使用SPSS統(tǒng)計數(shù)據(jù)差異性，該動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真可以將諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案。實驗中，設(shè)置5個機械沖擊加速度級別，1倍加速度為新能源汽車常規(guī)行駛中最大程度高速顛簸帶來的最大加速度；5倍加速度為新能源汽車常規(guī)碰撞事故(車速<80 km/h)中可能受到的最大加速度；9倍加速度為新能源汽車高速行駛(相對車速<120 km/h)對撞時可能帶來的最大加速度。9倍加速度達到人體承受極限，9倍加速度以上會對駕駛?cè)藥韲乐負p傷或可導(dǎo)致駕駛?cè)怂劳觥?/p>

2 機械沖擊對電池內(nèi)阻的影響

新能源動力電池進行機械沖擊試驗的目的就是通過可控的加速度和脈寬的沖擊，來衡量該產(chǎn)品承受沖擊的工作能力。由于動力電池存儲能量的性質(zhì)，在其能量釋放過程中，電池內(nèi)部溫度就會持續(xù)升高。而動力電池在運行時的不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻也會發(fā)生變化，當(dāng)電池內(nèi)阻高時，放電時電池發(fā)熱就要高一些，當(dāng)電池內(nèi)阻低時，電池消耗的功率就會少。當(dāng)內(nèi)阻在不同機械沖擊加速度下的增加量高至一定程度時，引發(fā)電池嚴重發(fā)熱可能就會發(fā)生危險事故。通過專業(yè)的機械沖擊測試分析，不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻的增加量均值對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻增加量均值對比

由表1可知，在1倍加速度下新能源汽車常規(guī)行駛中鋰離子電池的內(nèi)阻增加最大；5倍加速度下新能源汽車在常規(guī)碰撞時鋰離子、鎳氫和鈉硫電池產(chǎn)生的內(nèi)阻無大差異，鉛酸電池的內(nèi)阻增加量偏高；7倍和9倍加速度下新能源汽車高速行駛發(fā)生對撞時鈉硫、鉛酸電池的內(nèi)阻增加量最高，而鋰離子電池和鎳氫電池的內(nèi)阻增加量不明顯。說明在高速度下發(fā)生碰撞時鋰離子電池和鎳氫電池的內(nèi)阻效果較好，電池發(fā)熱不嚴重，安全性能較高。

針對此4種動力電池在不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻增加量均值對比進行可視化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 動力電池不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻增加量均值對比可視化結(jié)果

由圖1可明顯看出鋰離子電池在新能源汽車高速行駛時的9倍加速度對撞時機械沖擊下電池內(nèi)阻增加較少，且在1倍加速度正常行駛狀態(tài)下的內(nèi)阻增加量較其他電池內(nèi)阻偏高。這說明鋰離子電池最適合在新能源汽車中使用，其可以減小動力電池的內(nèi)阻增加，預(yù)防電池嚴重發(fā)熱現(xiàn)象，減低汽車著火及自燃的發(fā)生率，同時增加了司機和乘客的安全性。

3 機械沖擊對電池轉(zhuǎn)化率的影響

不同加速度下的機械沖擊使得動力電池在瞬間產(chǎn)生應(yīng)變能力也不相同，不同于電池在靜載荷下的結(jié)構(gòu)強度和性能都比較穩(wěn)定，發(fā)生的故障很小。為了考核動力電池在沖擊環(huán)鏡下的結(jié)構(gòu)強度和性能穩(wěn)定，對不同沖擊加速度下電池轉(zhuǎn)化率進行對比分析，4種動力電池的電池轉(zhuǎn)化率均值對比，結(jié)果如表2所示。

表2 不同沖擊加速度下電池轉(zhuǎn)化率均值對比表

由表2可知，電池轉(zhuǎn)化率為電池實際完全放電量與標定放電量的比值。4種動力電池在1倍、3倍的加速度正常行駛中電池的轉(zhuǎn)換率值很相似，在7倍加速度下新能源汽車碰撞時鋰電池轉(zhuǎn)化率最高；在9倍加速度高速行駛對撞時也是鋰電池的轉(zhuǎn)化率最高，且較其他3種電池的轉(zhuǎn)化率差距明顯。

為對比4種動力電池在不同沖擊加速度下的電池轉(zhuǎn)化率值，對其進行可視化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 動力電池不同沖擊加速度下電池轉(zhuǎn)化率均值對比可視化結(jié)果

由圖2可知，鋰電池在不同沖擊加速度下電池轉(zhuǎn)化率都比較穩(wěn)定，該動力電池的結(jié)構(gòu)強度和性能也比較穩(wěn)定，保障了新能源汽車的安全性。

4 機械沖擊對電池損毀風(fēng)險的影響

在使用動力電池時，如果因機械沖擊頻繁的進行急加速和急減速，都對動力電池的耗損比較大，收到?jīng)_擊時的電池脈沖高電壓能在極短的時間造成鋰電池內(nèi)部發(fā)生短路及微短路現(xiàn)象，同時也會產(chǎn)生大量的熱量，嚴重的高溫能影響到電池容量的驟減和電芯的永久性損壞，繼而造成安全事故。對新能源動力電池在不同沖擊加速度下電池機械結(jié)構(gòu)損毀概率分析對比，結(jié)果如表3所示。

表3 不同沖擊加速度下電池機械結(jié)構(gòu)損毀概率對比表

由表3可知，在不同沖擊加速度下，鋰離子電池的電池機械結(jié)構(gòu)損毀率較其他3種動力電池的損毀率低，特別是在9倍加速度高速行駛對撞時，鋰離子電池的損毀率與其他動力電池的損毀率差距非常明顯。

對各種動力電池在不同沖擊加速度下的電池機械結(jié)構(gòu)損毀概率對比結(jié)果進行可視化，結(jié)果如圖3如示。

圖3 動力電池不同沖擊加速度下電池機械結(jié)構(gòu)損毀概率對比可視化結(jié)果

由圖3可知，鋰離子電池的機械結(jié)構(gòu)損毀率最低，該電池的使用壽命也優(yōu)于其他動力電池，降低了新能源汽車的一次采購成本和動力電池的更換率。

5 結(jié)語

隨著我國新能源汽車市場的爆發(fā)式增長，新能源動力電池也成為了電池行業(yè)中增長最快的部分。本研究針對新能源動力電池機械沖擊測試原理進行模型研究及對建模方式與仿真試驗設(shè)計分析，探討了動力電池在不同沖擊加速度下機械沖擊對電池內(nèi)阻、轉(zhuǎn)化率及機械沖擊對電池損毀風(fēng)險的影響，證明了動力電池具有優(yōu)良的綜合性能。特別是鋰離子電池在4種電池機械沖擊測試中其性能更優(yōu)于其他的動力電池，說明鋰離子電池在新能源行業(yè)中的適應(yīng)性及領(lǐng)先性，成為了我國新能源電動汽車技術(shù)發(fā)展的重要參考依據(jù)。