動力電池溫（wēn）度衝擊試驗解析
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發布日期： 2021.04.01
在近期發布了GB 18384-2020《電動汽車（chē）安全要求》、GB 38032-2020《電動客車（chē）安全要求》和GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要（yào）求》三項強製性國標並將於明年開始正式實施。這使得廠家對於車用動力（lì）電池的安全可靠性考核變得尤為重要。
本文所介紹的溫度衝擊試驗，源（yuán）自於電子電工產品通用（yòng）環境試驗要求，通過對試中的溫度變化範圍、暴露時間、溫度轉換時間的嚴格要求（qiú），溫度衝擊試驗逐漸成（chéng）為軍工、核（hé）電、航天、船用領域為常見（jiàn）的加速環境試驗項目。隨著新能源汽車行業的發展，動力電池的安全可（kě）靠性、環境適應性要求越來越高（gāo），溫度衝擊試驗（yàn）往往成為企業對於動力電（diàn）池可靠性的必要評估手段（duàn）。
試驗目的
溫（wēn）度衝擊試驗是為了確定動力電池耐環境溫度（dù）快速變化的能力（lì），對於（yú）新（xīn）能源汽車而言，雖然實際（jì）應用中並不會（huì）經常遇到如此快速轉（zhuǎn）換時間的工況，但溫度衝擊試（shì）驗是通過一種加速試驗來模擬（nǐ）車輛在使用過程中大量的慢溫度循環，快速考核出動力電池內各種材料（liào）、密封圈及關鍵零（líng）部件的失效程（chéng）度，有效避免動力電池在使用過程因（yīn）溫度快速變（biàn）化引（yǐn）發失效（xiào）而導致的意外事故。
試（shì）驗解析
溫度衝擊試驗主要參考ISO 16750-4以及IEC 60068-2-14兩份（fèn）標準，比GB 38031-2020《電動汽車用（yòng）動力蓄電池安全要求》中規定的溫度衝擊試驗更為的嚴酷，轉換時間更短，不得大於30s，
整個溫（wēn）衝試驗周期中包含了低溫溫（wēn）度TA、高溫（wēn）溫度TB、持續時間t1、高低溫轉換時間t2、溫度恢複（fù）時間、溫度穩定（dìng）持續時間和衝（chōng）擊次數，根據產品的不（bú）同應用工況確定上述試驗參數，來加速考核產品的實際性能。
圖1 標準規定溫衝曲線
圖2 實際試驗溫衝曲（qǔ）線
試驗設備
主流的溫度衝擊箱結構主要有提籃式兩箱和充（chōng）氣式三箱結構（gòu），主要差異在於樣品的移動與否，提籃（lán）式結構就是樣品跟隨提籃（lán）在（zài）兩個（gè）溫（wēn）度（dù）箱（xiāng）之間移動切換，承受（shòu）溫度應（yīng）力對樣品的衝擊（jī），而（ér）充氣式結（jié）構能使樣品（pǐn）保持不動，通過蓄（xù）冷箱（xiāng）和蓄熱箱（xiāng）往樣品室充氣（qì）來實現樣品經受溫度衝擊的效果。對於（yú）提籃式結構，常（cháng）規一立方以內（nèi）的溫衝箱均（jun1）為（wéi）上下提籃結構，可有效節約設備占地麵積，大型步入式溫衝箱則為左（zuǒ）右提籃結構，為了（le）滿足大承重樣品的測試要求（qiú）。
溫衝試驗控製界麵圖
大型溫度衝擊箱（xiāng）
非標溫衝試驗箱是針對（duì）定製化的（de）客戶需求，如三個不同（tóng）溫區間衝（chōng）擊、低溫（wēn）與低溫衝擊、高（gāo）溫（wēn）與高溫衝擊（jī），高溫高濕與低溫衝擊（霜凍試驗），使得（dé）非標溫衝箱在市麵上也具有一定（dìng）的占有率，非標結構的溫衝箱由於結構上的優化，其溫衝範圍甚至可以擴大至（zhì）250℃～-70℃，滿足（zú）更多產品種（zhǒng）類的測試需求。
非標溫衝箱
關鍵參數
溫度衝（chōng）擊（jī）試驗作為一個加（jiā）速試（shì）驗，轉換時間和恢複時間兩大關鍵參（cān）數起到了至關重要的決定性影響。
（1）轉換時間：溫度衝擊箱區（qū）別於其他環境試驗箱的根本（běn）差別在於其（qí）機械結構部分，溫度衝擊箱主要由蓄冷箱、蓄熱箱和提籃結構組成，樣品在提籃的帶動下在蓄冷箱和（hé）蓄熱（rè）箱之間快速轉換起到溫度衝擊的效（xiào）果，整個衝擊過程中需要盡可能的避免樣品出現位移，這就需要測試人員在（zài）試驗初（chū）期對（duì）樣（yàng）品結構（gòu）提前進行預估（gū），對可能（néng）產生的影響進行判斷後對樣品進行加固處理，同時移動提（tí）籃在滿足標準轉換時間的情況下，必須要做到（dào）緩起和緩（huǎn）停的（de）要求，避免樣品在經受溫度衝擊的同時仍（réng）經受額外的機械碰（pèng）撞的應力影響（xiǎng），導致後期在樣品失效分析上難（nán）以辨別失效模（mó）式。
（2）恢複時間：溫度衝擊試驗中另一個典型參數是恢複（fù）時間，標準中規定的恢複時間指提（tí）籃內空氣溫度（dù）的（de）恢複時間，也可根據客戶要求將恢複時（shí）間（jiān）定義（yì）為樣品恢複時（shí）間。對於前者（zhě），在（zài）測試過（guò）程（chéng）中測試工程師可根據經驗設置蓄（xù）冷和蓄熱溫度來使提籃的空氣溫（wēn）度恢複時間控製在標準（zhǔn）規定（dìng）的0.1倍暴露時（shí）間內或客戶（hù）要求的恢複時間範圍內，而對於後者，僅利用（yòng）蓄（xù）冷蓄熱溫度並不能有效的使（shǐ）樣品快速恢複到目標溫度，這就需要測試工程師前期對樣品進行預試驗，根據樣品的發熱（rè）情況，調整試驗預設參數，使樣品能（néng）夠迅速的達到預期溫度，起到縮短（duǎn）試驗時間的目的。
溫衝試驗樣品整體溫度采集數據曲線
數據采集
對於動力電池溫度衝擊試驗，比較複雜的是，在試驗過程中（zhōng）對電池產品自身進行數據采集，監控整個溫衝試驗過程中的溫濕度、電壓電流、振動位移量級（jí）、應力應變數據等，有效記錄和（hé）儲存（cún）產品各項（xiàng）性能指標，避免電池產（chǎn）品在試驗過程中出現異常情（qíng）況而產生爆炸的危險，也可（kě）通過各（gè）項（xiàng）采集數據對樣品進行改進和優化處理。
另外，整個采（cǎi）集過程需要根據樣品的結（jié）構特點布置具有代表性的位置，才能（néng）采集出具有代表意義的（de）數（shù）據，通常應變片會布置在（zài）樣品的焊縫處、孔位位置（zhì）、折邊位置等應力較大區域，熱電偶會布置於電芯、正負極、熔斷位置、樣品表麵等溫度波動較大位置，振動傳感器會布置在上蓋點、下蓋橫梁（liáng）、螺栓固（gù）定位置等具有代表性位置，除了憑（píng）試驗經驗布點外，還可以通過簡單的模態仿真確定（dìng）出可能的應力集中位置進行（háng）采集點布置（zhì），避免不必要的布點（diǎn），從而減少試後數據處（chù）理的工作（zuò）量。
試驗內箱
采集傳感器
溫衝應力數據曲（qǔ）線
失效分析手段（duàn）
電池產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（bāo）的標準測試需求（qiú）。溫度（dù）衝擊試驗中，試驗樣品經常會遇到材料變形、焊點開裂、塗覆層龜裂等失效現象（xiàng），針對上述問題，我們可（kě）以（yǐ）在試驗初期通（tōng）過應力仿真（zhēn）和熱仿真的手段提前對樣品進行分析，找出可能出現的問題點提早進行解決和優化，避（bì）免樣品整體在溫（wēn）度衝擊過程中出現大（dà）麵積失效的現象，另外，通過試（shì）中采集到的各項數（shù）據來（lái）優化仿（fǎng）真模型，為樣品的結構改進積累數據經驗，優（yōu）化電池產品整體結構。
對於溫度衝（chōng）擊試中出現的局部結構變形或者材料失效，可通過失效分析的手段對失（shī）效部位進行無損或切片（piàn）分析觀察其微觀結構，找出材料失效原因改進材料性能（néng），優化產品自身結構設計，提（tí）升產品可（kě）靠性。
具體位置熱仿真
X光照射焊點裂紋圖
篇後語
溫度衝擊環境可靠性測試，仍有很多注（zhù）意要點有待我們去研究（jiū）和分析。
今後的主要研究（jiū）方向（xiàng）會從（cóng）溫度衝（chōng）擊試驗後樣品的失效模式和樣品結構的耐溫衝性能入手，尋求更優的（de）樣品結構和選材。
