李充 張晉杰 孫智鵬 徐月 馬天翼
摘 要:新能源汽車在現(xiàn)實(shí)中存在較多的動(dòng)態(tài)接觸碰撞場(chǎng)景,而動(dòng)力電池發(fā)生碰撞后存在較大的安全隱患,這也成為整車廠家和大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。目前針對(duì)該類動(dòng)態(tài)碰撞損傷,對(duì)電池安全性的影響目前尚沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)。本研究基于新能源汽車典型碰撞場(chǎng)景,辨識(shí)動(dòng)力電池碰撞模擬試驗(yàn)表征參量,開發(fā)能夠動(dòng)態(tài)接觸碰撞場(chǎng)景的試驗(yàn)裝置,通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行碰撞測(cè)試,分析動(dòng)力電池在不同動(dòng)態(tài)接觸碰撞表征參量情況下的性能表現(xiàn),為進(jìn)一步研究動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)碰撞規(guī)程和技術(shù)要求提供測(cè)試方法支持。
關(guān)鍵詞:鋰離子電池 動(dòng)態(tài)接觸 沖擊碰撞 損傷分析
1 引言
電動(dòng)汽車的安全一直是消費(fèi)者們關(guān)注的重點(diǎn),隨著電動(dòng)汽車的廣泛推廣,其安全性及測(cè)試技術(shù)越來(lái)越受到重視,如何全面有效的評(píng)估電動(dòng)汽車的安全情況更是萬(wàn)眾矚目。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件,如何進(jìn)行有效的、接近于實(shí)際工況的動(dòng)態(tài)接觸碰撞測(cè)試是電動(dòng)汽車安全評(píng)估的焦點(diǎn)問題。然而現(xiàn)有評(píng)價(jià)手段多以靜態(tài)、非接觸碰撞為試驗(yàn)方法,缺乏對(duì)實(shí)際事故場(chǎng)景中動(dòng)力電池遭受動(dòng)態(tài)碰撞的情況進(jìn)行分析。
目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車市場(chǎng)上,對(duì)于動(dòng)力電池包的碰撞安全防護(hù),主要從三個(gè)層級(jí)來(lái)考慮。第一個(gè)層級(jí)是整車結(jié)構(gòu)防護(hù)。車體結(jié)構(gòu)本身對(duì)電池包形成良好的防護(hù)。能抵擋一般的碰撞工況和刮底工況,保護(hù)電池包殼體結(jié)構(gòu)外部無(wú)變形,內(nèi)部無(wú)損傷。第二個(gè)層級(jí)是電池包殼體結(jié)構(gòu)防護(hù)。電池包的殼體和內(nèi)部的承重梁架在側(cè)邊和底部要有一定的承載能力。保證內(nèi)部電池模組電芯不受到碰撞擠壓,高壓部件件不發(fā)生斷裂和短路。第三個(gè)層級(jí)是電池模組單體和內(nèi)部高壓部件本身的結(jié)構(gòu)性能。應(yīng)該具有一定的抗碰撞擠壓、沖擊和穿刺能力。保證在承受一定程度的機(jī)械載荷后,也不發(fā)生起火和爆炸情況。
碰撞工況主要以碰撞的位置、加速度、碰撞速度等作為關(guān)鍵參數(shù),在動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)中,所涉及的關(guān)鍵參數(shù)主要有碰撞速度、碰撞能量、碰撞深度、及碰撞接觸端形狀等。通過(guò)對(duì)碰撞能量、碰撞速度、碰撞深度等參數(shù)的設(shè)定實(shí)現(xiàn)接近于真實(shí)情況的模擬復(fù)現(xiàn)。
本文開展的動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞測(cè)評(píng)方法研究主要聚焦兩個(gè)方面:探究相同動(dòng)力電池樣品在不同碰撞工況下的安全表現(xiàn)以及探究在相同量級(jí)的碰撞工況下,不同動(dòng)力電池樣品結(jié)構(gòu)的可靠性。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)
本研究基于新能源汽車典型碰撞場(chǎng)景,識(shí)別動(dòng)力電池碰撞模擬試驗(yàn)參量,開展動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)方法研究,形成動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)流程。結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論和電氣控制理論,開發(fā)建立動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)裝置,開展典型動(dòng)力電池的動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)。采用三坐標(biāo)測(cè)量、測(cè)速儀、高速攝像儀等測(cè)量分析手段,分析動(dòng)力電池在動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)中的性能表現(xiàn)情況,進(jìn)而得到相關(guān)參量變化規(guī)律和性能判定指標(biāo),為動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)碰撞提供數(shù)據(jù)支持與分析依據(jù)。據(jù)此我們進(jìn)行了測(cè)試臺(tái)架的搭建,示意圖如圖1。
臺(tái)架主要由立體滑道與碰撞臺(tái)車構(gòu)成,通過(guò)調(diào)節(jié)臺(tái)車位置高度與質(zhì)量載荷,裝置可根據(jù)實(shí)際的碰撞情況實(shí)現(xiàn)三類碰撞模式:
(1)碰撞速度可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試,碰撞速度可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試,假設(shè)碰撞頭的重量和碰撞速度已知,測(cè)試動(dòng)力電池模塊碰撞加速度、碰撞力、碰撞深度以及碰撞后電池模組狀態(tài)。
(2)碰撞能量可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試,需要測(cè)試裝置具有調(diào)整重量的碰撞頭,能夠產(chǎn)生加速度,并能產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞速度,能夠測(cè)量碰撞加速度、碰撞力、碰撞深度。
(3)碰撞能量可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試,假設(shè)以固定的碰撞深度,碰撞動(dòng)力電池模組,測(cè)試動(dòng)力電池模塊碰撞加速度、碰撞力以及碰撞后電池模組狀態(tài)。
在實(shí)際測(cè)試中分別選取電池單體與電池模組作為研究對(duì)象,采用深度可控的碰撞方式,考察動(dòng)力電池不同層級(jí)在動(dòng)態(tài)碰撞中的情況。碰撞臺(tái)車與實(shí)際碰撞情況如圖2(a)-(b)。
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
將準(zhǔn)備好的測(cè)試對(duì)象固定在臺(tái)面上,通過(guò)調(diào)節(jié)高度控制裝置,使測(cè)試對(duì)象中心與碰撞頭中心位于同一水平面;采用伺服電機(jī)帶動(dòng)碰撞臺(tái)車,通過(guò)位移傳感器控制設(shè)置值,到達(dá)位移值時(shí)通過(guò)限位開關(guān)停止。脫扣器采用電磁閥控制,通過(guò)電磁閥拉動(dòng)脫扣器,保證臺(tái)車固定,后面實(shí)施脫扣。打開加速度,碰撞力等測(cè)試系統(tǒng),調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),確認(rèn)采集系統(tǒng)工作狀態(tài);根據(jù)試驗(yàn)速度調(diào)整碰撞臺(tái)車的釋放高度;根據(jù)確定的碰撞能量,調(diào)節(jié)臺(tái)車質(zhì)量,使其碰撞動(dòng)能達(dá)到所需能量。同時(shí)根據(jù)確定的碰撞深度調(diào)節(jié)臺(tái)車限位,使之能實(shí)現(xiàn)固定深度的碰撞。開始試驗(yàn),系統(tǒng)通過(guò)電磁閥打開脫鉤器,碰撞臺(tái)車沿軌道下滑,到達(dá)碰撞位置,碰撞頭與測(cè)試樣品接觸,完成碰撞。將根據(jù)設(shè)置的條件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
3 試驗(yàn)情況與分析
3.1 試驗(yàn)樣品
鑒于三元鋰離子電池能量密度更高,也備受青睞,但其穩(wěn)定性將磷酸鐵鋰電池更加弱一些,因此本研究分別從單體、模組到系統(tǒng)選取了一款電池單體和一款電池模組作為研究對(duì)象,分別進(jìn)行深度可控的10mm、20mm、30mm不同碰撞形變的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試,選取的樣品均為鎳鈷錳三元/石墨電池體系,單體尺寸為260×100×35mm,質(zhì)量2kg;模組尺寸為388×120×40mm,質(zhì)量7.2kg。
3.1.1 單體動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試
針對(duì)動(dòng)力電池單體進(jìn)行深度可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試,測(cè)試后形變?nèi)鐖D,損傷形變往往是動(dòng)力電池選取電池正負(fù)極進(jìn)行深度的可控動(dòng)態(tài)碰撞其所得結(jié)果如圖3(a)-(b)。
10mm與20mm動(dòng)態(tài)碰撞電池沒有發(fā)生起火爆炸、在30mm動(dòng)態(tài)碰撞時(shí)電池發(fā)生了起火爆炸現(xiàn)象,具體根據(jù)試驗(yàn)中測(cè)試結(jié)果歸納整理如下:
當(dāng)碰撞深度為10mm時(shí),試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況;沒有發(fā)生熱失控,電池雖然出現(xiàn)了變形,但電池溫度僅上升4.5℃,電壓無(wú)明顯變化;
當(dāng)碰撞深度為20mm時(shí),試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況;沒有發(fā)生熱失控,電池出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形,但電池溫度僅上升15℃,在碰撞后電池電壓逐漸降至0V,即電池逐步失效;
當(dāng)碰撞深度為30mm時(shí),試驗(yàn)電池出現(xiàn)熱失控,起火爆炸,電池溫升達(dá)503.8℃,電壓迅速降至0V。
3.1.2 模組動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試
針對(duì)動(dòng)力電池模組,損傷形變往往是動(dòng)力電池選取電池正負(fù)極進(jìn)行深度的可控動(dòng)態(tài)碰撞,如圖4。
模組在碰撞中均未發(fā)生起火爆炸現(xiàn)象,根據(jù)試驗(yàn)中測(cè)試結(jié)果歸納整理如下:
當(dāng)碰撞深度為10mm時(shí),試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況;沒有發(fā)生熱失控,模組沒有出現(xiàn)顯著的結(jié)構(gòu)破壞和電池溫升,電壓無(wú)明顯變化;
當(dāng)碰撞深度為20mm時(shí),試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況;沒有發(fā)生熱失控,電池模組出現(xiàn)了線束受損的情況,但電池溫度僅上升17.2℃,在碰撞后電壓沒有顯著變化;
當(dāng)碰撞深度為30mm時(shí),試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況;沒有發(fā)生熱失控,電池模組出現(xiàn)了輕微結(jié)構(gòu)破損情況,電池溫升達(dá)20.4℃,電壓由4.03V緩慢下降至0V,即模組失效。
3.2 測(cè)試結(jié)果分析
綜合單體不同損傷程度的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試可以發(fā)現(xiàn),隨著電池?fù)p傷程度的加深,電池受到破壞的表征信號(hào)也越多。在10mm損傷形變時(shí)電池雖然出現(xiàn)了變形,但只出現(xiàn)了略微的溫升,而電壓幾乎沒有任何變化;當(dāng)電池?fù)p傷形變達(dá)到20mm時(shí),電池的溫度出現(xiàn)了較為明顯的升高,而此時(shí)電壓也逐漸下降到0V;在損傷形變達(dá)到30mm時(shí),電池發(fā)生了起火爆炸,發(fā)生熱失控,溫度急劇上升,電壓也迅速降至0V。
可以看出電池單體在受到動(dòng)態(tài)沖擊情況下電壓并不會(huì)迅速反應(yīng)電池受到的損傷,而溫度則會(huì)隨電池?fù)p傷呈現(xiàn)正相關(guān)的升高,因此可以作為一個(gè)表征參量來(lái)評(píng)估電池的狀態(tài)變化。
同樣,綜合模組不同損傷程度的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試可以得出,隨著電池?fù)p傷程度的加深,電池的溫度與電壓都呈現(xiàn)出不同的變化。在10mm損傷形變時(shí)電池沒有出現(xiàn)明顯變形,只出現(xiàn)了微小程度的溫升,電壓沒有任何變化;當(dāng)電池?fù)p傷形變達(dá)到20mm時(shí),模組的溫度出現(xiàn)了較為明顯的破壞,同時(shí)受到碰撞的單體升高,而此時(shí)電壓也逐漸下降到0V;在損傷形變達(dá)到30mm時(shí),出現(xiàn)明顯損壞,受碰撞單體也產(chǎn)生了更高的溫升,同時(shí)該單體電壓也產(chǎn)生波動(dòng)后逐漸下降至0V。
可以得到,與單體類似,模組在受到動(dòng)態(tài)碰撞后同樣在電壓與溫度上出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。與單體情況一致,受碰撞單體的溫度比電壓更能顯著的反應(yīng)受到損傷破壞的程度,也有損傷承擔(dān)呈現(xiàn)正相關(guān)。
但與單體有所不同的是,增加了外殼防護(hù)的模組由于整體結(jié)構(gòu)的完整性和外殼防護(hù),相較單體而言抗沖擊的能力更強(qiáng),在受到相同程度的沖擊時(shí)更加穩(wěn)定。
4 結(jié)語(yǔ)
本文建立了構(gòu)建了可以針對(duì)單體與模組進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞的試驗(yàn)平臺(tái),并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行研究分析。通過(guò)對(duì)單體與模組進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞實(shí)驗(yàn),探討了動(dòng)態(tài)碰撞對(duì)動(dòng)力電池的安全性所造成的損傷。同時(shí),針對(duì)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中對(duì)電壓與溫度這兩個(gè)參量進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)針對(duì)本文提出的樣品,在動(dòng)態(tài)碰撞情況下電池溫度會(huì)明顯優(yōu)于電池電壓來(lái)作為動(dòng)態(tài)碰撞的表征參量。此外對(duì)無(wú)外殼防護(hù)的電池單體與有外殼防護(hù)的模組進(jìn)行比較分析得出模組的防護(hù)結(jié)構(gòu)更能承受較大的碰撞傷害。
在更進(jìn)一步的研究中,一個(gè)非常有意義的方向是將完整的電池系統(tǒng)進(jìn)行同樣的動(dòng)態(tài)沖擊,與電池單體與模組得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析;同時(shí)針對(duì)單體與模組的不同位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞的比較研究從而得出在可能發(fā)生的實(shí)際事故中何種方式的防護(hù)更加安全有效也是非常值得進(jìn)一步研究的。
*本文受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFB2501500)、天津市自然科學(xué)基金(20JCZDJC00520)和中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程(2021QNRC001)支持。
參考文獻(xiàn):
[1]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分: 安全性要求與測(cè)試方法:GB/T 31467.3-2015.[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015:
[2]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求:GB 38031-2020[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2020:
[3]孫智鵬,卜祥軍,陳立鐸等.動(dòng)力電池?cái)D壓機(jī)械損傷后性能演化研究[J].電源技術(shù),2020,44(7):964-966.
[4]康華平,李政.鋰離子動(dòng)力電池模組碰撞失效行為試驗(yàn)研究[J].上海汽車,2019,(8):7-12.
[5]RABBITT A,HORSFALL I,CARR D J. Effect of ballistic impacts on batteries and the potential for injury[J]. J R Army Med Corps,2019,F(xiàn)eb 24:1-6.
[6]XU R,Yang Y,YIN F,et al.Heterogeneous damage in Li-ion batteries: experimental analysis and theoretical modeling[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2019, 129:160-183.