动力电池温度冲击试验解析
2020-07-15
国家在近期发布了GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国标并将于明年开始正式实施。这使得厂家对于车用动力电池的安全可靠性考核变得尤为重要。本文所介绍的温度冲击试验，源自于电子电工产品通用环境试验要求，通过对试中的温度变化范围、暴露时间、温度转换时间的严格要求，温度冲击试验逐渐成为军工、核电、航天、船用领域最为常见的加速环境试验项目。随着新能源汽车行业的发展，动力电池的安全可靠性、环境适应性要求越来越高，温度冲击试验往往成为企业对于动力电池可靠性的必要评估手段。
试验目的
温度冲击试验是为了确定动力电池耐环境温度快速变化的能力，对于新能源汽车而言，虽然实际应用中并不会经常遇到如此快速转换时间的工况，但温度冲击试验是通过一种加速试验来模拟车辆在使用过程中大量的慢温度循环，快速考核出动力电池内各种材料、密封圈及关键零部件的失效程度，有效避免动力电池在使用过程因温度快速变化引发失效而导致的意外事故。
试验解析
温度冲击试验主要参考ISO 16750-4以及IEC 60068-2-14两份国际标准，比GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中规定的温度冲击试验更为的严酷，转换时间更短，不得大于30s，
整个温冲试验周期中包含了低温温度TA、高温温度TB、持续时间t1、高低温转换时间t2、温度恢复时间、温度稳定持续时间和冲击次数，根据产品的不同应用工况确定上述试验参数，来加速考核产品的实际性能。
图1 标准规定温冲曲线
图2 实际试验温冲曲线
试验设备
主流的温度冲击箱结构主要有提篮式两箱和充气式三箱结构，主要差异在于样品的移动与否，提蓝式结构就是样品跟随提篮在两个温度箱之间移动切换，承受温度应力对样品的冲击，而充气式结构能使样品保持不动，通过蓄冷箱和蓄热箱往样品室充气来实现样品经受温度冲击的效果。对于提篮式结构，常规一立方以内的温冲箱均为上下提篮结构，可有效节约设备占地面积，大型步入式温冲箱则为左右提篮结构，为了满足大承重样品的测试要求。
图3 提蓝式温冲箱结构
图4 温冲试验控制界面图
图5 大型温度冲击箱
非标温冲试验箱是针对定制化的客户需求，如三个不同温区间冲击、低温与低温冲击、高温与高温冲击，高温高湿与低温冲击（霜冻试验），使得非标温冲箱在市面上也具有一定的占有率，非标结构的温冲箱由于结构上的优化，其温冲范围甚至可以扩大至250℃～-70℃，满足更多产品种类的测试需求。
图6非标温冲箱
关键参数
温度冲击试验作为一个加速试验，转换时间和恢复时间两大关键参数起到了至关重要的决定性影响。
（1）转换时间：温度冲击箱区别于其他环境试验箱的根本差别在于其机械结构部分，温度冲击箱主要由蓄冷箱、蓄热箱和提篮结构组成，样品在提篮的带动下在蓄冷箱和蓄热箱之间快速转换起到温度冲击的效果，整个冲击过程中需要尽可能的避免样品出现位移，这就需要测试人员在试验初期对样品结构提前进行预估，对可能产生的影响进行判断后对样品进行加固处理，同时移动提篮在满足标准转换时间的情况下，必须要做到缓起和缓停的要求，避免样品在经受温度冲击的同时仍经受额外的机械碰撞的应力影响，导致后期在样品失效分析上难以辨别失效模式。
（2）恢复时间：温度冲击试验中另一个典型参数是恢复时间，标准中规定的恢复时间指提篮内空气温度的恢复时间，也可根据客户要求将恢复时间定义为样品恢复时间。对于前者，在测试过程中测试工程师可根据经验设置蓄冷和蓄热温度来使提篮的空气温度恢复时间控制在标准规定的0.1倍暴露时间内或客户要求的恢复时间范围内，而对于后者，仅利用蓄冷蓄热温度并不能有效的使样品快速恢复到目标温度，这就需要测试工程师前期对样品进行预试验，根据样品的发热情况，调整试验预设参数，使样品能够迅速的达到预期温度，起到缩短试验时间的目的。
图7 温冲试验样品整体温度采集数据曲线
数据采集
对于动力电池温度冲击试验，比较复杂的是，在试验过程中对电池产品自身进行数据采集，监控整个温冲试验过程中的温湿度、电压电流、振动位移量级、应力应变数据等，有效记录和储存产品各项性能指标，避免电池产品在试验过程中出现异常情况而产生爆炸的危险，也可通过各项采集数据对样品进行改进和优化处理。
另外，整个采集过程需要根据样品的结构特点布置具有代表性的位置，才能采集出具有代表意义的数据，通常应变片会布置在样品的焊缝处、孔位位置、折边位置等应力较大区域，热电偶会布置于电芯、正负极、熔断位置、样品表面等温度波动较大位置，振动传感器会布置在上盖中心点、下盖横梁、螺栓固定位置等具有代表性位置，除了凭试验经验布点外，还可以通过简单的模态仿真确定出可能的应力集中位置进行采集点布置，避免不必要的布点，从而减少试后数据处理的工作量。
图8 试验内箱
图9 采集传感器
图10 温冲应力数据曲线
失效分析手段
电池产品的可靠性失效分析包括电芯、模组、电池包零部件以及所有规格电池包的标准测试需求。温度冲击试验中，试验样品经常会遇到材料变形、焊点开裂、涂覆层龟裂等失效现象，针对上述问题，我们可以在试验初期通过应力仿真和热仿真的手段提前对样品进行分析，找出可能出现的问题点提早进行解决和优化，避免样品整体在温度冲击过程中出现大面积失效的现象，另外，通过试中采集到的各项数据来优化仿真模型，为样品的结构改进积累数据经验，优化电池产品整体结构。
对于温度冲击试中出现的局部结构变形或者材料失效，可通过失效分析的手段对失效部位进行无损或切片分析观察其微观结构，找出材料失效原因改进材料性能，优化产品自身结构设计，提升产品可靠性。
图11 具体位置热仿真
图12 X光照射焊点裂纹图
篇后语
温度冲击专业性很强的环境可靠性测试，仍有很多注意要点有待我们去研究和分析。
今后的主要研究方向会从温度冲击试验后样品的失效模式和样品结构的耐温冲性能入手，寻求更优的样品结构和选材。
