輸出級(jí)底座綜合環(huán)境劣化分析與可靠性壽命研究

楊靜，李慧，李瑩

（廣電計(jì)量檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司，廣州 510656）

概述

電池模組及其組件是新能源電動(dòng)汽車(chē)的重要組成部分，結(jié)構(gòu)安全與可靠性很大程度地決定了電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)劣。除電池模組的安全性外，其組件的穩(wěn)定性是決定電池模組壽命的關(guān)鍵[1]。電池模組引出極一端焊接在電芯上，一端通過(guò)輸出極底座連接在端板上，輸出極底座主要保護(hù)電池模組在運(yùn)輸與應(yīng)用中的振動(dòng)掉焊等失效。輸出極底座配置的銅螺母，不具備緩沖結(jié)構(gòu)，在熱脹冷縮循環(huán)作用下易出現(xiàn)扭力衰減[2]。同時(shí)，輸出極底座的材料為PA66+GF，這種復(fù)合材料的性能高度依賴(lài)于增強(qiáng)纖維和基體間的界面結(jié)構(gòu)和性能，隨著熱氧老化與濕度因子不斷水解的相互作用，其扭力與絕緣性能均會(huì)劣化[3]。

因此，本文研究輸出極底座在受電池模組運(yùn)行環(huán)境與車(chē)載綜合環(huán)境影響下的劣化過(guò)程，分析其敏感應(yīng)力與退化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)綜合應(yīng)用環(huán)境的復(fù)現(xiàn)，觀(guān)測(cè)長(zhǎng)期試驗(yàn)的劣化過(guò)程，從而對(duì)其可靠性壽命進(jìn)行研究，并將結(jié)果與預(yù)測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)輸出極底座的劣化分析與可靠性壽命研究，明確產(chǎn)品的更換周期與檢查項(xiàng)點(diǎn)，為生產(chǎn)加工與選材提供方向，提高產(chǎn)品可靠性。

1 理論分析

本文結(jié)合使用環(huán)境調(diào)研已有故障行為，確定螺母脫扣、松動(dòng)、絕緣破壞、結(jié)構(gòu)變形是主要失效表征[4]。其對(duì)應(yīng)的故障機(jī)理為環(huán)境溫度快速變化引起結(jié)構(gòu)熱脹冷縮，以及在濕度因子作用下的水解，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、絕緣性能降低。由于此類(lèi)材料在短期高溫環(huán)境下分子鏈段進(jìn)行重排，使得其不完善的結(jié)晶趨于完善，球晶尺寸變大，結(jié)晶度提高，這時(shí)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等物理性能會(huì)得到加強(qiáng)，因此試驗(yàn)中需要觀(guān)察到性能參數(shù)曲線(xiàn)的拐點(diǎn)才可以停止。具體步驟為：

1）對(duì)輸出極底座進(jìn)行調(diào)研，包括：使用環(huán)境、裝配關(guān)系與故障行為等；

2）對(duì)輸出極底座材質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析，確定輸出極底座的敏感應(yīng)力；根據(jù)TGA 分析與單一溫濕度條件下老化的測(cè)試結(jié)果，選擇合適的溫度與濕度條件；

3）結(jié)合輸出極底座使用工況，對(duì)輸出極底座實(shí)施綜合應(yīng)力可靠性壽命試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

為研究單一溫度對(duì)其性能的影響，采用95 ℃，110 ℃，125 ℃三個(gè)溫度進(jìn)行熱空氣老化試驗(yàn)，通過(guò)熱空氣老化后其物理性能和電性能的下降趨勢(shì)，分析單一溫度對(duì)材料的性能影響。試驗(yàn)過(guò)程中性能變化趨勢(shì)如圖1 所示。

圖1 單一溫度下性能變化趨勢(shì)

觀(guān)察到力矩和擊穿電壓表現(xiàn)出先增大后下降的趨勢(shì)。這是由于尼龍材料的分子鏈段在單溫度作用下進(jìn)行重排，使得其不完善的結(jié)晶趨于完善，球晶尺寸變大，結(jié)晶度提高。這時(shí)結(jié)晶對(duì)材料力矩和擊穿電壓的影響遠(yuǎn)大于熱氧老化帶來(lái)的降低作用，因此力矩和擊穿電壓表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。之后，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，尼龍材料的結(jié)晶過(guò)程趨于穩(wěn)定，熱氧老化帶來(lái)的負(fù)面作用逐漸顯現(xiàn)，其力矩和擊穿電壓表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

為研究單一濕度對(duì)其性能的影響，采用采用125 ℃，52 %RH 和125 ℃，95 %RH 進(jìn)行高溫蒸煮老化試驗(yàn)，研究在相同溫度下，不同濕度變化下其物理性能和電性能的下降趨勢(shì)，分析單一濕度對(duì)材料性能的影響。試驗(yàn)過(guò)程中性能變化趨勢(shì)如圖2 所示。

圖2 單一濕度下性能變化趨勢(shì)

試驗(yàn)中在低濕狀態(tài)下（相對(duì)濕度低于52 %），絕緣電阻也是大部分都超出設(shè)備量程，無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，泄露電流在一個(gè)小的區(qū)域范圍內(nèi)變化，也沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)；但當(dāng)濕度提高到95 %后，絕緣電阻和泄露電流均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)；在低濕狀態(tài)下（相對(duì)濕度低于52 %），力矩和擊穿電壓呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，但相對(duì)于常態(tài)，降低幅度不大，但在濕度提高到75 %后，力矩和擊穿電壓呈現(xiàn)出明顯變化，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。說(shuō)明當(dāng)濕度增大時(shí)，濕度的水解作用帶來(lái)的影響遠(yuǎn)大于溫度的重結(jié)晶影響。因此當(dāng)溫度相同的情況下，濕度越高，材料水解作用越明顯，對(duì)應(yīng)的物理性能和電性能變化趨勢(shì)越大。

因此，基于單一溫度與濕度的特征表現(xiàn)，設(shè)計(jì)綜合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，選擇85 ℃70 %RH、85 ℃95 %RH、90 ℃95 %RH，三個(gè)試驗(yàn)量級(jí)進(jìn)行為期168 h的測(cè)試，觀(guān)察試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 溫濕度綜合應(yīng)力下性能變化趨勢(shì)

試驗(yàn)參考老化模型存在很多不同的模型，例如Peck、Lawson、Klinger 等，其 中Peck（也 稱(chēng) 為Power Law）模型應(yīng)用最為廣泛，而不同模型之間的差異較大，Peck 模型是艾琳模型的一種，用來(lái)針對(duì)濕度加速試驗(yàn)進(jìn)行壽命計(jì)算，此模型通常和溫度加速的阿倫尼斯模型一同使用。

完整的Peck 模型是溫度與濕度的雙應(yīng)力模型，假設(shè)溫度和濕度所導(dǎo)致的失效機(jī)理是相互獨(dú)立的，所以可以直接對(duì)溫度和濕度的加速模型相乘來(lái)獲得溫度與濕度的雙應(yīng)力加速模型，具體公式如下：

其中：

AF—加速條件相對(duì)于使用環(huán)境的加速因子；

AFH—濕度加速因子；

AFT—溫度加速因子；

n—未知模型參數(shù)，推薦取值為1～5；

Hu—使用環(huán)境相對(duì)濕度，單位%；

HA—加速試驗(yàn)相對(duì)濕度，單位%；

Ea—化學(xué)反應(yīng)活化能，單位J·mol-1；

R—理想氣體常數(shù)8.314 J·K-1mol-1；

Tu—使用環(huán)境的絕對(duì)溫度，單位開(kāi)爾文（K）；

TA—加速試驗(yàn)的絕對(duì)溫度，單位開(kāi)爾文（K）[5]。

利用熱重法可以獲得化學(xué)反應(yīng)活化能[6]，TGA 測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，激活能擬合結(jié)果為143.29 kJ·mol-1。

圖4 TGA 測(cè)試結(jié)果

破壞力矩實(shí)際服役工況下的闕值為12 N·m，擊穿電壓實(shí)際服役工況下的闕值為2.5 kV，對(duì)擊穿電壓變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合，可以得知85 ℃70 %RH 條件下約2 214 h 達(dá)到失效闕值，85 ℃95 %RH 條件下約850 h 達(dá)到失效闕值，90 ℃95 %RH條件下約483 h達(dá)到失效闕值，擬合曲線(xiàn)如圖5 所示。由失效闕值時(shí)間也可以獲得：

圖5 擊穿電壓擬合曲線(xiàn)

1）90 ℃95 %RH 相對(duì)于85 ℃95 %RH 的加速系數(shù)為1.76；

2）85 ℃95 %RH 相對(duì)于85 ℃70 %RH 的加速系數(shù)為2.6。

將上述兩個(gè)結(jié)果分別代入各自的Peck 模型中，可以求得未知模型參數(shù)n=3.13，激活能Ea=122.14 kJ·mol-1，與理論結(jié)果要求范圍重合度較高。因此可以獲得最終的Peck 模型，將實(shí)際不同使用或貯存環(huán)境條件代入后，便可以獲得輸出極底座的可靠性壽命。

3 結(jié)論

在溫度濕度的綜合作用，輸出極底座的破壞力矩和擊穿電壓均表現(xiàn)出隨時(shí)間的增加逐漸減小的趨勢(shì)，且在相同溫度下增加濕度或在相同濕度下增加溫度，其破壞力矩和擊穿電壓均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，進(jìn)一步可說(shuō)明在濕度存在情況下，濕度帶來(lái)的水解作用影響遠(yuǎn)大于溫度的重結(jié)晶影響。試驗(yàn)中得到的實(shí)際數(shù)值與通過(guò)Perk 模型與熱重法得到的理論數(shù)值具有較高重合度，因此可以獲得輸出極底座在貯存或工作環(huán)境下的可靠性壽命。