聚焦瑞凱,傳遞環(huán)境檢測(cè)行業(yè)新動(dòng)態(tài)

動(dòng)力電池溫度沖擊試驗(yàn)解析

作者: 網(wǎng)絡(luò) 編輯: 瑞凱儀器 來(lái)源: www.shubeikang.com 發(fā)布日期: 2021.04.01
    在近期發(fā)布了GB 18384-2020《電動(dòng)汽車安全要求》、GB 38032-2020《電動(dòng)客車安全要求》和GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》三項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)并將于明年開(kāi)始正式實(shí)施。這使得廠家對(duì)于車用動(dòng)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(yàn),源自于電子電工產(chǎn)品通用環(huán)境試驗(yàn)要求,通過(guò)對(duì)試中的溫度變化范圍、暴露時(shí)間、溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間的嚴(yán)格要求,溫度沖擊試驗(yàn)逐漸成為軍工、核電、航天、船用領(lǐng)域?yàn)槌R?jiàn)的加速環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目。隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展,動(dòng)力電池的安全可靠性、環(huán)境適應(yīng)性要求越來(lái)越高,溫度沖擊試驗(yàn)往往成為企業(yè)對(duì)于動(dòng)力電池可靠性的必要評(píng)估手段。
    試驗(yàn)?zāi)康?/span>
    溫度沖擊試驗(yàn)是為了確定動(dòng)力電池耐環(huán)境溫度快速變化的能力,對(duì)于新能源汽車而言,雖然實(shí)際應(yīng)用中并不會(huì)經(jīng)常遇到如此快速轉(zhuǎn)換時(shí)間的工況,但溫度沖擊試驗(yàn)是通過(guò)一種加速試驗(yàn)來(lái)模擬車輛在使用過(guò)程中大量的慢溫度循環(huán),快速考核出動(dòng)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(dòng)力電池在使用過(guò)程因溫度快速變化引發(fā)失效而導(dǎo)致的意外事故。
    試驗(yàn)解析
    溫度沖擊試驗(yàn)主要參考ISO 16750-4以及IEC 60068-2-14兩份標(biāo)準(zhǔn),比GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》中規(guī)定的溫度沖擊試驗(yàn)更為的嚴(yán)酷,轉(zhuǎn)換時(shí)間更短,不得大于30s,

    整個(gè)溫沖試驗(yàn)周期中包含了低溫溫度TA、高溫溫度TB、持續(xù)時(shí)間t1、高低溫轉(zhuǎn)換時(shí)間t2、溫度恢復(fù)時(shí)間、溫度穩(wěn)定持續(xù)時(shí)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(yàn)參數(shù),來(lái)加速考核產(chǎn)品的實(shí)際性能。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定溫沖曲線

圖1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定溫沖曲線

圖2 實(shí)際試驗(yàn)溫沖曲線

圖2 實(shí)際試驗(yàn)溫沖曲線

    試驗(yàn)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(dòng)與否,提籃式結(jié)構(gòu)就是樣品跟隨提籃在兩個(gè)溫度箱之間移動(dòng)切換,承受溫度應(yīng)力對(duì)樣品的沖擊,而充氣式結(jié)構(gòu)能使樣品保持不動(dòng),通過(guò)蓄冷箱和蓄熱箱往樣品室充氣來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品經(jīng)受溫度沖擊的效果。對(duì)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(cè)試要求。


圖4 溫沖試驗(yàn)控制界面圖

溫沖試驗(yàn)控制界面圖

圖5 大型溫度沖擊箱

大型溫度沖擊箱


    非標(biāo)溫沖試驗(yàn)箱是針對(duì)定制化的客戶需求,如三個(gè)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(yàn)),使得非標(biāo)溫沖箱在市面上也具有一定的占有率,非標(biāo)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(kuò)大至250℃~-70℃,滿足更多產(chǎn)品種類的測(cè)試需求。

圖6非標(biāo)溫沖箱

非標(biāo)溫沖箱

    關(guān)鍵參數(shù)
     溫度沖擊試驗(yàn)作為一個(gè)加速試驗(yàn),轉(zhuǎn)換時(shí)間和恢復(fù)時(shí)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(shí)間:溫度沖擊箱區(qū)別于其他環(huán)境試驗(yàn)箱的根本差別在于其機(jī)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(dòng)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(gè)沖擊過(guò)程中需要盡可能的避免樣品出現(xiàn)位移,這就需要測(cè)試人員在試驗(yàn)初期對(duì)樣品結(jié)構(gòu)提前進(jìn)行預(yù)估,對(duì)可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行判斷后對(duì)樣品進(jìn)行加固處理,同時(shí)移動(dòng)提籃在滿足標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)間的情況下,必須要做到緩起和緩?fù)5囊?,避免樣品在?jīng)受溫度沖擊的同時(shí)仍經(jīng)受額外的機(jī)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(shí)間:溫度沖擊試驗(yàn)中另一個(gè)典型參數(shù)是恢復(fù)時(shí)間,標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的恢復(fù)時(shí)間指提籃內(nèi)空氣溫度的恢復(fù)時(shí)間,也可根據(jù)客戶要求將恢復(fù)時(shí)間定義為樣品恢復(fù)時(shí)間。對(duì)于前者,在測(cè)試過(guò)程中測(cè)試工程師可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置蓄冷和蓄熱溫度來(lái)使提籃的空氣溫度恢復(fù)時(shí)間控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.1倍暴露時(shí)間內(nèi)或客戶要求的恢復(fù)時(shí)間范圍內(nèi),而對(duì)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(biāo)溫度,這就需要測(cè)試工程師前期對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)試驗(yàn),根據(jù)樣品的發(fā)熱情況,調(diào)整試驗(yàn)預(yù)設(shè)參數(shù),使樣品能夠迅速的達(dá)到預(yù)期溫度,起到縮短試驗(yàn)時(shí)間的目的。

圖7 溫沖試驗(yàn)樣品整體溫度采集數(shù)據(jù)曲線

溫沖試驗(yàn)樣品整體溫度采集數(shù)據(jù)曲線

    數(shù)據(jù)采集
     對(duì)于動(dòng)力電池溫度沖擊試驗(yàn),比較復(fù)雜的是,在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)電池產(chǎn)品自身進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,監(jiān)控整個(gè)溫沖試驗(yàn)過(guò)程中的溫濕度、電壓電流、振動(dòng)位移量級(jí)、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)等,有效記錄和儲(chǔ)存產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo),避免電池產(chǎn)品在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)異常情況而產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn),也可通過(guò)各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)對(duì)樣品進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化處理。

    另外,整個(gè)采集過(guò)程需要根據(jù)樣品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(huì)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(huì)布置于電芯、正負(fù)極、熔斷位置、樣品表面等溫度波動(dòng)較大位置,振動(dòng)傳感器會(huì)布置在上蓋點(diǎn)、下蓋橫梁、螺栓固定位置等具有代表性位置,除了憑試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)布點(diǎn)外,還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的模態(tài)仿真確定出可能的應(yīng)力集中位置進(jìn)行采集點(diǎn)布置,避免不必要的布點(diǎn),從而減少試后數(shù)據(jù)處理的工作量。

圖8 試驗(yàn)內(nèi)箱

試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試需求。溫度沖擊試驗(yàn)中,試驗(yàn)樣品經(jīng)常會(huì)遇到材料變形、焊點(diǎn)開(kāi)裂、涂覆層龜裂等失效現(xiàn)象,針對(duì)上述問(wèn)題,我們可以在試驗(yàn)初期通過(guò)應(yīng)力仿真和熱仿真的手段提前對(duì)樣品進(jìn)行分析,找出可能出現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)提早進(jìn)行解決和優(yōu)化,避免樣品整體在溫度沖擊過(guò)程中出現(xiàn)大面積失效的現(xiàn)象,另外,通過(guò)試中采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化仿真模型,為樣品的結(jié)構(gòu)改進(jìn)積累數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化電池產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)。

    對(duì)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(guò)失效分析的手段對(duì)失效部位進(jìn)行無(wú)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(jìn)材料性能,優(yōu)化產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(diǎn)裂紋圖

X光照射焊點(diǎn)裂紋圖

    篇后語(yǔ)
     溫度沖擊環(huán)境可靠性測(cè)試,仍有很多注意要點(diǎn)有待我們?nèi)パ芯亢头治觥?/span>
    今后的主要研究方向會(huì)從溫度沖擊試驗(yàn)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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