電驅(qū)動道路車輛 動力鋰離子電池系統(tǒng)力學(xué)環(huán)境試驗和要求

文 | 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 盧兆明 王沈敏上海工業(yè)自動化儀表研究院 史曉雯

電驅(qū)動道路車輛 動力鋰離子電池系統(tǒng)力學(xué)環(huán)境試驗和要求

文 | 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 盧兆明 王沈敏上海工業(yè)自動化儀表研究院 史曉雯

本文是電驅(qū)動道路車輛動力鋰離子電池的試驗和要求標(biāo)題下的力學(xué)環(huán)境部分。結(jié)合國標(biāo)轉(zhuǎn)化過程和實驗室能力驗證經(jīng)歷，將力學(xué)環(huán)境試驗方法和要求作描述和解釋。供實驗室和相關(guān)產(chǎn)品的供需方雙參考。

鋰離子；動力電池；電驅(qū)動道路車輛；力學(xué)（機械）環(huán)境試驗

1.離子動力電池的力學(xué)環(huán)境試驗

1.1.準(zhǔn)系

ISO/IEC關(guān)于電驅(qū)動道路車輛用動力鋰離子電池的備忘錄指引，由ISO 12405系列對應(yīng)的是動力鋰離子電池組和鋰離子電池系統(tǒng)；IEC 62660系列則針對動力鋰離子電池芯組成試驗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)系。在此標(biāo)準(zhǔn)系中，包括環(huán)境試驗、電性能試驗、安全性試驗等內(nèi)容。本文討論的內(nèi)容是鋰離子動力電池芯、電池組合電池系統(tǒng)的力學(xué)（機械）環(huán)境試驗和要求。

標(biāo)準(zhǔn)系中的振動和機械沖擊等力學(xué)（機械）環(huán)境試驗的試驗方法應(yīng)遵循IEC 60068-2 _GB/T 2423環(huán)境試驗方法的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)系對電池芯、電池組/系統(tǒng)按不同的應(yīng)用和類別分別給出了嚴(yán)酷度等級、加載要求和判定的具體規(guī)定。

1.2.驗項目簡介

電池芯、電池組/系統(tǒng)的力學(xué)環(huán)境試驗包括振動試驗和機械沖擊試驗。電池芯在機械沖擊試驗中包括的碾壓試驗，將與加嚴(yán)力學(xué)環(huán)境試驗一起歸在安全性試驗介紹。

電驅(qū)動道路車輛用動力鋰離子電池芯、組和系統(tǒng)分別由能量型應(yīng)用（BEV，純電池驅(qū)動）和功率型應(yīng)用（HEV，混合驅(qū)動）。在力學(xué)（機械）環(huán)境試驗中，兩種應(yīng)用的試驗程序和要求有所不同。在本文中接受試驗的離子電池芯、組和系統(tǒng)都稱為“樣品”，對樣品的供/受電體稱為“負(fù)載”。

2.池組/系統(tǒng)的振動試驗和要求

本試驗檢查由振動引起電池組/系統(tǒng)的故障和損壞。由路面起伏和駕駛引起車身產(chǎn)生的振動是隨機振動。主要失效是破損和電氣連接缺失。本試驗也可適用于電池組子系統(tǒng)。

電池組/系統(tǒng)的振動試驗有2種情況。

大質(zhì)量的電池組/系統(tǒng)，試驗頻率上限到200 Hz，但振動試驗應(yīng)在三個軸向依次進行。ISO 12405為此給出了振動試驗的參數(shù)和嚴(yán)酷度等級、疊加的溫度環(huán)境條件。

表1.軸向試驗的功率譜密度(PSD)值

電池組或電池系統(tǒng)上使用的小質(zhì)量（相應(yīng)通常用于車輛上的電氣和電子裝置）且與電池組/系統(tǒng)分離安裝的電氣和電子裝置。其振動試驗的參數(shù)和嚴(yán)酷度等級和疊加的溫度環(huán)境條件，參照ISO 16750-3中，安裝在彈性質(zhì)量（車身）的試驗條件。

2.1.質(zhì)量的電池組和電池系統(tǒng)

設(shè)計安裝在彈性質(zhì)量（車身）的受試樣品，給出的試驗參數(shù)是有效的。受試樣品應(yīng)安裝在如同裝車狀態(tài)的試驗夾具上經(jīng)受試驗，且符合GB/T 2423.43_IEC 60068-2-47給出的要求，參考文獻3。

振動試驗應(yīng)在三個軸向依次進行，如果用戶與供應(yīng)商間沒有其他協(xié)議，試驗應(yīng)從垂直（Z）軸向開始；接下來是橫（Y）軸向；最后是縱（X）軸向。

在每個軸向用隨機振動應(yīng)力作用在受試樣品上的持續(xù)時間為21h。如果同時用2個同樣的受試樣品在同一軸向上進行試驗，持續(xù)時間可以縮短到15h；如果同時用3個同樣的受試樣品在同一軸向上進行試驗，持續(xù)時間可以縮短到12h。

本試驗用5-200Hz頻率范圍的功率譜密度(PSD)分別應(yīng)用于三個軸線方向振動控制(PSD_垂直_Z；PSD_水平_橫向_Y；PSD_水平_縱向_X)。如果，受試樣品設(shè)計安裝位置低于車輛乘員艙，乘員艙底部橫向Y譜的PSD_水平_橫向_Y值有所減小。

2.1.1.驗程序

本試驗按照GB/T 2423.56_IEC 60068-2-64，見表1或按用戶和車輛實際應(yīng)用要求。

下列參數(shù)應(yīng)得到保證：

- 頻率容差 1.25 ± 0.25 Hz；

- 系統(tǒng)誤差在 ± 3 dB 內(nèi)；

- 當(dāng)容差超出 ± 6 dB 時，相適應(yīng)的預(yù)警值/關(guān)機值。

電池組或電池系統(tǒng)的全壽命設(shè)計，作為假定考慮了溫度的影響，因此，電池組或電池系統(tǒng)振動試驗（每個軸向空間的時間）中應(yīng)疊加溫度曲線，見表2。

表2.續(xù)時間和環(huán)境溫度

表3.SD值和頻率

表4.度循環(huán)的溫度與持續(xù)時間

Tmin和Tmax應(yīng)由供應(yīng)商與用戶協(xié)議確定。若無協(xié)議，則取值為：Tmin= -40℃；Tmax= 75℃。

-預(yù)處理 在振動試驗前，應(yīng)通過2個規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)（SC）評估受試樣品的容量。在振動開始前，能量型應(yīng)用調(diào)整SOC用C/3放電至50%，功率型應(yīng)用調(diào)整SOC用1C放電至50%。

-恢復(fù) 在振動試驗后，應(yīng)通過2個規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)（SC）評估受試樣品的容量。

電池組/系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)（SC）和調(diào)整（SOC）程序?qū)⒃陔娦阅軠y試篇介紹。

2.1.2.求

要求在振動試驗過程中，不應(yīng)出現(xiàn)破損和電氣連接缺失。

處于運行狀態(tài)時，主連接器應(yīng)在連接狀態(tài)。

運行模式按ISO 16750-1規(guī)定的3.2時，功能狀態(tài)按A級（見ISO 16750-1）；其它運行模式時，應(yīng)達(dá)到C級，即在試驗中裝置/系統(tǒng)所有一個或多個功能未按設(shè)計要求，但試驗后所有功能自動回復(fù)常規(guī)運行。

應(yīng)包括的數(shù)據(jù)：

-- 在試驗中，DUT的正、負(fù)極端子電壓交叉；

-- 絕緣電阻，DUT外殼與正極電極間、DUT外殼與負(fù)極電極間；

-- 試驗前和試驗后，能量型受試樣品室溫下C/3容量（2nd 標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)C/3容量的每種情況）；功率型受試樣品為1C容量。

2.2.質(zhì)量 電池組和電子系統(tǒng)的電氣/電子裝置

2.2.1.驗程序

給出的試驗參數(shù)是按照受試樣品設(shè)計安裝在車輛的彈性質(zhì)量（車身）上的情況。如果在車上使用安裝的區(qū)域不同，規(guī)定的要求與下列試驗程序不符，試驗應(yīng)按ISO 16750-3中在車輛其他區(qū)域安裝的數(shù)據(jù)，或按照車輛運行負(fù)載實裝實測所得的數(shù)據(jù)進行。

預(yù)處理和恢復(fù)要求與2.1相同。

試驗按照GB/T 2423.56_IEC 60068-2-64進行隨機振動試驗。在受試樣品的每個軸向的試驗持續(xù)時間為8h。

加速度均方根(RMS)值應(yīng)為27.8 m/s2，功率譜密度(PSD)及頻率范圍見圖2和表3。

本試驗按ISO 16750-4曲線疊加溫度環(huán)境條件，試驗最低溫度Tmin；最高溫度Tmax，圖3。

溫度循環(huán)試驗按IEC 60068-2-14_GB/T 2423.22，試驗Na的要求進行。

考慮到受試樣品上可能的凝露，周期長的電氣運行宜在20℃溫度啟動。在Tmin啟動的長時間運行應(yīng)防止電功率耗散產(chǎn)生的凝露。

試驗過程中，不允許對試驗箱空氣進行輔助烘干。

2.2.2.求

要求在振動試驗過程中，破損和電氣連接缺失都不應(yīng)出現(xiàn)。

運行模式按ISO 16750-1規(guī)定的3.2時，功能狀態(tài)按ISO 16750-1定義的A級。即在試驗中系統(tǒng)/組件運行并控制在典型運行模式；即在試驗中和試驗后，電池組/系統(tǒng)所有功能按設(shè)計要求。

其他運行模式時，應(yīng)達(dá)到C級，即在試驗中裝置/系統(tǒng)所有一個或多個功能未按設(shè)計要求，但試驗后所有功能自動回復(fù)常規(guī)運行。

試驗前和試驗后，能量型受試樣品室溫下C/3容量（2nd 標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)C/3容量的每種情況）；功率型受試樣品為1C容量。

3.池芯的振動試驗和要求

本試驗采用設(shè)定的裝車情況受到的振動，檢查電池芯的響應(yīng)特性。

3.1.驗按下列要求進行

-- BEV應(yīng)用的電池芯調(diào)整SOC到100%；HEV應(yīng)用的電池芯調(diào)整SOC到80%；預(yù)處理步驟詳見參考文獻2的4章a)款；

-- 按GB/T 2423.56_IEC 60068-2-64規(guī)定的隨機振動試驗方法進行試驗。電池芯的每個軸試驗持續(xù)時間為8h；

表5.驗結(jié)果描述

-- 振動試驗譜參數(shù)與2.2章相同，加速度均方根值應(yīng)為27.8 m/s2；最高頻率應(yīng)達(dá)到2000Hz。圖2和表3給出了功率譜密度(PSD)與頻率關(guān)系。

3.2.驗結(jié)果

試驗應(yīng)進行下列測量，并記錄試驗結(jié)果：

-- 在試驗開始和結(jié)束時，電池芯的電壓和容量；

-- 應(yīng)按表中定義進行規(guī)范化表述，照片可作為試驗結(jié)果相關(guān)的材料。

4.池組/系統(tǒng)的機械沖擊試驗和要求

本試驗適用于安裝在車身或車架剛性點的電池組和電池系統(tǒng)。

沖擊負(fù)載情況考慮為車輛高速行駛中越過路邊石頭。失效模式為元件因高加速度導(dǎo)致的機械損壞。

本試驗適用于電池組和電池系統(tǒng)，也可以適用于電池組和電池系統(tǒng)的子系統(tǒng)

4.1.驗

本試驗按照ISO 16750 -3要求，見表6，或由用戶和車輛使用要求確定的試驗譜進行。

本沖擊試驗提供的加速度應(yīng)該與裝車實際出現(xiàn)的方向一致。如果實際裝用的方向未知，則應(yīng)在受試樣品3個軸向的6個方向依次進行試驗。

-- 預(yù)處理 在振動試驗前，應(yīng)通過2個規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)（SC）評估受試樣品的容量。在振動開始前，能量型應(yīng)用調(diào)整SOC用C/3放電至50%，功率型應(yīng)用調(diào)整SOC用1C放電至50%。

表6.械沖擊試驗參數(shù)

表7.械沖擊試驗參數(shù)

-- 恢復(fù) 在振動試驗后，應(yīng)通過2個規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)（SC）評估受試樣品的容量。

電池組/系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)（SC）和調(diào)整（SOC）程序?qū)⒃陔娦阅軠y試篇介紹。

受試樣品處于運行模式時，應(yīng)連續(xù)監(jiān)視受試樣品的溫度和電壓測量點。

4.2.求

功能狀態(tài)應(yīng)符合ISO 16750-1規(guī)定的A級。

測試數(shù)據(jù)應(yīng)包括：

-- 試驗過程中所有測量點測得的溫度和電壓；

-- 絕緣電阻，受試樣品外殼與正極電極間、受試樣品外殼與負(fù)極電極間；

-- 試驗前和試驗后，能量型受試樣品室溫下C/3容量（2nd 標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)C/3容量的每種情況）；功率型受試樣品為1C容量。

5.池芯的機械沖擊試驗和要求

本試驗采用設(shè)定的裝車情況受到的機械沖擊，檢查電池芯的響應(yīng)特性。

碾壓（Crush）試驗，將在安全性試驗篇介紹。

5.1.驗按下列要求進行

-- 預(yù)處理 BEV應(yīng)用的電池芯調(diào)整SOC到100%；HEV應(yīng)用的電池芯調(diào)整SOC到80%，參照參考文獻2中，4章a)款的方法。

-- 本試驗按照ISO 16750-3的規(guī)定和表3給出的參數(shù)進行。按照裝車實際承受機械沖擊的方向施加試驗的沖擊加速度。如果，裝車實際承受機械沖擊的方向未知，電池芯應(yīng)在所有6個方向上經(jīng)受試驗。

-- 表7給出了電池芯的機械沖擊試驗參數(shù)，供需雙方可以協(xié)議更更高的嚴(yán)酷度要求。

5.2.驗結(jié)果

測試和記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)包括：

-- 在試驗開始和結(jié)束時，電池芯的電壓和容量；

-- 按3章b)款，描述規(guī)定的電池芯受試后的狀態(tài)。

6.述

6.1.標(biāo)準(zhǔn)系引用的IEC 60068-2環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)系列，與GB 2423是IDT等同采標(biāo)的關(guān)系?？赡茉诎姹旧嫌植粚?yīng)，但涉及本文標(biāo)準(zhǔn)系的內(nèi)容全部適用。需要指出的是，GB 2423.22 _IEC 60068-2-14試驗N：溫度變化，要求的溫度變化速率容差有新的要求，參考文獻2。

6.2.樣是鋰離子電池的電化學(xué)特性，當(dāng)鋰離子電池單元經(jīng)受振動或沖擊時，裝容的材料及介質(zhì)因相互擠壓而溫度升高。較為嚴(yán)重的情況下發(fā)生泄漏是可能的，極端情況也不能排除爆炸的可能。

6.3.離子電池的電化學(xué)特性，在充/放電工作狀態(tài)自身有發(fā)熱現(xiàn)象，在過電壓和過電流狀態(tài)下發(fā)熱會加聚。鋰離子在過熱的狀態(tài)下可能導(dǎo)致爆炸。一般設(shè)計溫度的控制應(yīng)在130℃ -135℃范圍。在溫度變化試驗和高溫試驗中，如果對受試樣品加載，可能會出現(xiàn)過熱。在試驗中，要求同時記錄箱內(nèi)溫度、樣品本體溫度和工況是很重要的信息。能連續(xù)記錄更好。

6.4.振動疊加溫度變化試驗和機械沖擊試驗中，如果對受試樣品加載，出現(xiàn)泄漏，甚至爆炸是有先例的。首先在試驗箱內(nèi)應(yīng)有預(yù)防措施，如防護罩、網(wǎng)，以及試驗箱對電解液的防護；還應(yīng)有實時的記錄，包括爆炸的現(xiàn)狀、時間、殘骸、秤重。有實時影像記錄則更好。機械沖擊試驗中，還應(yīng)注意試驗人員的自身防護。安全性試驗篇還將詳細(xì)介紹。

6.5.力電池的能量型應(yīng)用于純電池驅(qū)動車輛?；旌蟿恿囕v分為2種情況，一種是將電池驅(qū)動作為內(nèi)燃機驅(qū)動的功率補充；另一種是在動力電池容量下降到一定程度，如80%-60%時，啟動內(nèi)燃機發(fā)電，向車載動力電池充電，起到增程的效果。前一種情況是典型的功率型應(yīng)用，有內(nèi)燃機工作的影響；后一種情況，動力電池雖然是能量型應(yīng)用，但也可伴有內(nèi)燃機工作的振動影響。內(nèi)燃機的振動影響要素可參考ISO 16750-3，同時也要考慮到電池組/系統(tǒng)的裝車位置與內(nèi)燃機振源的關(guān)聯(lián)程度。

6.6.于沖擊試驗采用的是半正弦波，在同一軸線的兩個方向上的沖擊能量并不對稱。因此，每個軸線需要有正反2個方向進行機械沖擊試驗。3個互相垂直的軸線，共有6個試驗方向。參考文件6對經(jīng)受機械沖擊試驗在環(huán)境試驗系中的順序位置和樣品的分布。

6.7.實際裝車使用中，可能經(jīng)受沖擊的方向是有限的。比如，車門上的元件，在關(guān)門時的沖擊是單方向的。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對電池組/系統(tǒng)，可以確定承受沖擊方向的樣品，就在指定方向上施加試驗沖擊。對指定方向進行沖擊試驗的樣品，應(yīng)作明確的文職描述和實物標(biāo)識，在試驗記錄和報告中應(yīng)有現(xiàn)場照片。這些內(nèi)容，在GB/T 2423_IEC 60068-2的新版文本中已有規(guī)定，參考文件7。

6.8.量型動力鋰離子電池組/系統(tǒng)，無非安裝在車輛的發(fā)動機艙、后備箱和轎廂（乘員艙）的底部。一般講固定在車輛懸掛的上方，廂或梁結(jié)構(gòu)上，剛性安裝。在振動試驗臺和沖擊試驗臺的剛性臺面上安裝，要考慮剛性連接。對幾十，乃至上百公斤的電池組/系統(tǒng)用輔助壓板或其他方式固定，是不可能實現(xiàn)真正的剛性連接的。最合理的安裝是，用裝車的連接方式和構(gòu)件，直接固定在試驗臺臺面上。

6.9.分離在動力鋰離子電池組/系統(tǒng)殼體外的電池控制單元(BCU)，或其他有自身功能的電氣電子裝置/元件，應(yīng)按“小質(zhì)量”要求或按其裝車的位置從ISO 16750-3中列出的規(guī)定確定試驗參數(shù)；安裝問題可參閱參考文獻3。

6.10.定電池芯的試驗方向，尚有可能，但要與試驗臺臺面剛性連接應(yīng)有所考慮。電池芯自身帶安裝，如插槽、鎖扣，應(yīng)充分利用。對高分子材料殼體結(jié)構(gòu)的電池芯，在試驗臺剛性臺面上安裝時，要考慮到安裝對樣品可能產(chǎn)生的安裝應(yīng)力，這是要盡量避免的。

6.11.航空、運輸行業(yè)對鋰離子電池產(chǎn)品也有專門的安全性試驗要求，有些試驗比本標(biāo)準(zhǔn)系嚴(yán)酷，如參考文獻5。

6.12.列環(huán)境試驗的順序/程序可以參考ISO 16750-1和參考文獻6。

[1] 電驅(qū)動道路車輛 動力鋰離子電池的試驗和要求。環(huán)境技術(shù)(雙月)2011第3期;

[2] 電驅(qū)動道路車輛 動力鋰離子電池系統(tǒng)氣候環(huán)境試驗和要求。環(huán)境技術(shù)(雙月) 2011第4期;

[3] 道路車輛電氣和電子設(shè)備在振動沖擊等動力學(xué)試驗中等安裝。環(huán)境技術(shù)(雙月) 2009第4期

[4] 車載電子電器設(shè)備的溫度變化試驗。環(huán)境技術(shù)(雙月) 2009第5期;

[5] 鋰電池運輸安全性試驗--解讀聯(lián)合國危險貨物運輸建議書（UN 38.3部分）。上海標(biāo)準(zhǔn)化(月) 2008第7期；

[6] 道路車輛 電子設(shè)備環(huán)境試驗順序的方案設(shè)計。 上海標(biāo)準(zhǔn)化(月) 2010第4期；

[7] GB/T2423（相關(guān)部分）。電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 (IEC60068-2, IDT)；

[8] ISO16750（相關(guān)部分）道路車輛-電子和電氣設(shè)備環(huán)境條件和試驗環(huán)境技術(shù)(雙月) 2007第1-6期。(國標(biāo)轉(zhuǎn)化制訂項目編號:20068337-341)

[9] ISO/DIS 12405-1 Electrically propelled road vehicles — Test specification for lithium-Ion traction. Battery systems —Part 1: High power applications

[10] ISO/DIS 12405-2 Electrically propelled road vehicles — Test specification for lithium-Ion traction. Battery systems —Part 2: High energy applications

[11] IEC 62660-1:2010 Ed1.0 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles- Part 1: Performance testing

[12] IEC 62660-1:2010 Ed1.0 Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles- Part 2: Reliability and abuse testing

[13]鋰離子電池-應(yīng)用與實踐。 化學(xué)工業(yè)出版社，吳宇平 戴曉兵 馬軍旗程預(yù)江

Electrically Propelled Road Vehicles —Mechanical Environmental Testing Conditions and Requirements for Lithium-Ion Traction Battery Systems

This article mainly focuses on the mechanical environmental testing requirements for lithium-Ion traction batteries used in electrically propelled road vehicles. The article gives an explanation and description of the climatic environmental testing methods and requirements based on the author’s national standard conversion and proficiency testing experience. The article can be referred to for laboratory staff and supplying or demanding parties of related products.

lithium-Ion；traction battery；electrically propelled road vehicles，EV；mechanics (mechanical)environmental testing

盧兆明，全國環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（環(huán)標(biāo)委）機械分技會（SAC/TC8 /SC1_IEC /TC104）、全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會電子與電磁兼容分技委（SAC/TC114/SC29_ISO/TC22/SC3）委員、高級工程師；GB/T 2424.26、GB/T2423 系列標(biāo)準(zhǔn)第 5、10、15、39、43、48、55、56、57、58、101等部分制修訂和ISO16750系列和ISO 20653標(biāo)準(zhǔn)國標(biāo)轉(zhuǎn)化制訂項目的主要起草人。著有《道路車輛 電氣及電子裝備的環(huán)境試驗和要求》中國標(biāo)準(zhǔn)版。

胡紅輝，全國環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會氣候分技會（SAC/TC8/SC2_IEC/TC104）委員，工程師。

沈海舟，電子附件性能及環(huán)境試驗工程師。