動(dòng)力電池振動(dòng)試驗(yàn)GB 38031-2020標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)介紹及詳細(xì)解析!
GB 38031-2020是我國電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池領(lǐng)域第一個(gè)強(qiáng)制性安全國家標(biāo)準(zhǔn),本文從動(dòng)力電池振動(dòng)試驗(yàn)的檢測(cè)目的、送樣要求、振動(dòng)試驗(yàn)特點(diǎn)及配套工裝要求等做了深度對(duì)比分析和技術(shù)歸納,幫助相關(guān)的動(dòng)力電池企業(yè)提高產(chǎn)品的合格率,輔助相關(guān)的電池實(shí)驗(yàn)室測(cè)試人員提高綜合試驗(yàn)?zāi)芰?,有利于提升行業(yè)檢測(cè)技術(shù)水平。
下面劍喬儀器廠家來給大家先介紹試驗(yàn)?zāi)康?、送樣要求、試?yàn)前預(yù)處理等,試驗(yàn)特點(diǎn)!其它技術(shù)對(duì)比解析見下期分享。
GB 18384-2020《電動(dòng)汽車安全要求》和GB 38032-2020《電動(dòng)客車安全要求》以及GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》是我國電動(dòng)汽車領(lǐng)域首批強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn),將于2021年1月1日起開始實(shí)施。經(jīng)國家工業(yè)和信息化部同意在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施日期2021年1月1日之前,允許企業(yè)根據(jù)自身情況提前執(zhí)行以上強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn),在申請(qǐng)產(chǎn)品準(zhǔn)入時(shí),可依據(jù)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè),相關(guān)檢驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告作為準(zhǔn)入的依據(jù)。
新標(biāo)準(zhǔn)GB38031-2020是由2個(gè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》和GB/T31467-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分:安全性要求與測(cè)試方法》融合而來的,與我國牽頭制定的聯(lián)合國電動(dòng)汽車安全技術(shù)法規(guī)UN GTR 20全面接軌,進(jìn)一步提高和優(yōu)化了對(duì)電動(dòng)汽車整車和動(dòng)力電池產(chǎn)品的安全性技術(shù)要求。
GB38031-2020中對(duì)單體電池沒有振動(dòng)試驗(yàn)要求,而對(duì)電池包和電池系統(tǒng)卻有相應(yīng)的振動(dòng)試驗(yàn)的要求,其振動(dòng)試驗(yàn)條件與GB/T 31467.3-2015相比顯得更加細(xì)致和嚴(yán)格,這也呈現(xiàn)了新標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)強(qiáng)化了電池產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)抗振能力對(duì)安全性保障的重要性,也意味著動(dòng)力電池企業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能忽視以剛度乃至剛質(zhì)比等結(jié)構(gòu)參數(shù)為主的機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo),以保證自己的動(dòng)力電池產(chǎn)品順利進(jìn)軍新能源汽車產(chǎn)品的大市場(chǎng)。
動(dòng)力電池振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)康?/strong>
GB38031-2020中的振動(dòng)試驗(yàn)是圍繞安全指標(biāo)來考核動(dòng)力電池的能力,在該標(biāo)準(zhǔn)的第5章,所有的安全指標(biāo)都一一呈現(xiàn)。其中振動(dòng)試驗(yàn)的安全指標(biāo)包括:夠絕緣、無銳變、不燃、不爆、不漏、不裂等,這些指標(biāo)與電池單體的一致性密切相關(guān),可以說振動(dòng)試驗(yàn)也間接地考核了電池單體性能一致性,新標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)的最基本的安全要求,也是動(dòng)力電池的市場(chǎng)準(zhǔn)入最起碼要求。例如,電池包在振動(dòng)試驗(yàn)期間和試驗(yàn)后,最起碼不會(huì)出現(xiàn)熱失控的起火或爆炸,不允許有電壓的銳變等,不能出現(xiàn)殼體結(jié)構(gòu)破裂乃至化學(xué)液體泄漏,絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)該完好無損。
與普通燃油汽車 DC12V蓄電池比較,電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的絕緣電阻技術(shù)要求有很大的差別,電動(dòng)汽車的電壓和電流等級(jí)都較高,車載電池包電壓一般在幾百伏,超出特低電壓的限值,防觸電的要求就突出了。
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3805《特低電壓(ELV)限值》可知在一定電壓作用下,對(duì)有觸電保護(hù)裝置的情況,人體允許通過的電流為30mA。一般在干燥、正常情況下人體的電阻約為2000Ω左右,可以推測(cè)直流電壓大于60V會(huì)對(duì)人體有電擊的傷害,由于電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)是一種超過100V的高壓,并且是一種高能量存儲(chǔ)裝置,因此在無任何防觸電保護(hù)情況下,人員觸及將極其危險(xiǎn)。所以GB38031標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的安全驗(yàn)證明確提出了絕緣電阻不小于100Ω/V的要求。因此,在電動(dòng)汽車及配套主件的開發(fā)中,要注意高壓電氣系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì),嚴(yán)格控制絕緣電阻值,保證泄漏電流在安全的范圍內(nèi)。
振動(dòng)能量的傳播往往會(huì)對(duì)動(dòng)力電池的絕緣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞作用,作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師必須考慮絕緣結(jié)構(gòu)能否耐受電動(dòng)汽車路況的多種振動(dòng),保障安全指標(biāo)不會(huì)降低,因此,電池單體、模組、電池包以及電氣連接需要設(shè)計(jì)足夠的電氣間隙和爬電距離,不僅要保證電池系統(tǒng)絕緣材料結(jié)構(gòu)在振動(dòng)環(huán)境下的機(jī)械穩(wěn)定性,即使其在長(zhǎng)期使用出現(xiàn)一定結(jié)構(gòu)變化后,仍能確保不會(huì)絕緣失效。
新標(biāo)準(zhǔn)GB38031中的振動(dòng)試驗(yàn)的要求只涉及安全,不涉及性能特性和功能特性等與可靠性相關(guān)的指標(biāo),固不能將新標(biāo)準(zhǔn)中的振動(dòng)試驗(yàn)完全取代與動(dòng)力電池可靠性考核所涉及的全部振動(dòng)試驗(yàn)。
送樣要求和試驗(yàn)對(duì)象
電池包的振動(dòng)試驗(yàn)不是單純將樣品安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上的裸機(jī)振動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)過程需要狀態(tài)監(jiān)測(cè),離不開電池包配套附設(shè)件的連接和調(diào)試等流程,正如標(biāo)準(zhǔn)GB38031的第6.1條所述,電池廠商在委托第三方機(jī)構(gòu)檢測(cè)送樣時(shí)需要提供電池包或電池系統(tǒng)交付需要包括必要的操作文件以及和測(cè)試設(shè)備相連所需的接口部件,如電插器、插頭、冷卻系統(tǒng)接口,以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖等,明確試驗(yàn)所需的重要參數(shù)如安全工作限值、充放電截止條件和電壓銳變閾值等,確保預(yù)處理和振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)樣品能正常運(yùn)作。
標(biāo)準(zhǔn)GB38031的第8.2.1.1條明確規(guī)定,振動(dòng)試驗(yàn)的對(duì)象是電池包或電池系統(tǒng),不是電池單體。
振動(dòng)試驗(yàn)前樣品的預(yù)處理要求
在振動(dòng)試驗(yàn)前,電池包或系統(tǒng)樣品需要先進(jìn)行預(yù)處理循環(huán),以確保在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)樣品的性能處于激活或穩(wěn)定的狀態(tài),在此提出,預(yù)處理失敗(如電池容量達(dá)不到要求)的樣品是不能做振動(dòng)試驗(yàn)的,作為不合格樣品返還電池制造商。
按電化學(xué)原理,動(dòng)力電池的激活是指將電池內(nèi)部電解物質(zhì)的電化學(xué)活性“喚醒”,電池久而不用,其內(nèi)部電解物質(zhì)活性往往會(huì)暫時(shí)性降低或暫時(shí)性停止,激活后電池又會(huì)處于正常狀態(tài)。在動(dòng)力電池中,鋰離子電池占了大部分,鋰離子電池在長(zhǎng)時(shí)間擱置,長(zhǎng)期大電流充放電,或長(zhǎng)時(shí)間非滿電狀態(tài)使用情況下,電極活性材料在預(yù)處理的首次滿充滿放中,容易出現(xiàn)容量較低的現(xiàn)象。因此需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充放電進(jìn)行激活。且由于鋰離子電池真實(shí)荷電狀態(tài)受多種因素的影響,如在較低溫度下,低溫導(dǎo)致電池活性降低,動(dòng)力電池陰極和陽極電極活性材料以及電解液等離子擴(kuò)散阻抗增加,電池相對(duì)正常溫度下荷電狀態(tài)會(huì)較低(同一開路電壓下)。如使用較高或較低的充放電電流調(diào)節(jié)電池荷電狀態(tài),也會(huì)因阻抗分壓較大或過小而導(dǎo)致荷電狀態(tài)不準(zhǔn)。為了保證電池樣品在測(cè)試前狀態(tài)的均一性,需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)處理,使電池的狀態(tài)穩(wěn)定。
振動(dòng)試驗(yàn)的電池樣品預(yù)處理按GB38031標(biāo)準(zhǔn)第7.2.2條進(jìn)行,在室溫條件下,其中的充放電電流都要求小于1/3的充放電倍率,不充不放的靜止時(shí)間一般是30min,充放電截止條件由電池制造商規(guī)定,或者靜止時(shí)間也按廠商規(guī)定。樣品預(yù)處理過程中,避免任何過充過放的操作,以免影響振動(dòng)試驗(yàn)后的測(cè)試參數(shù)對(duì)比。
預(yù)處理通過的判定:
①樣品連續(xù)2次的放電容量變化均不高于額定容量的3%,預(yù)處理成功。
②樣品連續(xù)5次的充放電循環(huán)都正常,預(yù)處理成功。
整個(gè)預(yù)處理的步驟見圖1樣品預(yù)處理流程示意圖。
圖1 樣品預(yù)處理流程示意圖
振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)電池的化學(xué)物質(zhì)的活性有破壞作用,在驗(yàn)證其破壞作用,就必須在振動(dòng)前先激活動(dòng)力電池并確認(rèn)振動(dòng)前電池性能是穩(wěn)定,即先做樣品的預(yù)處理,以便做試驗(yàn)前后的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比,綜合評(píng)估電池的耐振能力。
試驗(yàn)夾具和樣品固定方式的重要性
電池的振動(dòng)試驗(yàn)涉及到振動(dòng)能量的傳播,這涉及到能量的傳播方向或路徑,試驗(yàn)樣品安裝應(yīng)符合GB/T2423.43的要求,如果樣品安裝方式不當(dāng),往往會(huì)改變振動(dòng)能量的真實(shí)傳播,最終影響到試驗(yàn)結(jié)果。電池振動(dòng)試驗(yàn)的能量傳播方向和路徑見圖2:振動(dòng)能量傳播示意圖。
圖2 振動(dòng)能量傳播示意圖
從圖2的傳播示意圖可以看出,試驗(yàn)夾具和電池包固定板(支撐腳)對(duì)能量傳遞鏈條中起著關(guān)鍵的作用。
動(dòng)力電池振動(dòng)能量傳播的第一切入點(diǎn)是電池包的固定板,在作螺釘固定時(shí)有必要模擬裝車的實(shí)況,固定板在電池包殼體的布置狀況見圖3電池包的支撐腳。
圖3 電池包的支撐腳
對(duì)于試驗(yàn)夾具,必須確保其一階固有頻率必須遠(yuǎn)高于試驗(yàn)頻率的上限,例如GB38031振動(dòng)的頻率上限是200Hz,那么夾具在試驗(yàn)前必須先做頻率響應(yīng)檢查,如果其三個(gè)軸向的一階固有頻率均遠(yuǎn)高于200Hz,試驗(yàn)夾具才允許使用。
電池包固定板(外殼支撐腳)是電池樣品的振動(dòng)應(yīng)力傳輸路徑的最先導(dǎo)入點(diǎn),試驗(yàn)樣品的與振動(dòng)臺(tái)面耦合安裝的固定位置和固定點(diǎn)數(shù)必須符合裝車狀況,或試驗(yàn)樣品的與夾具耦合安裝的固定位置和固定點(diǎn)數(shù)必須符合裝車狀況。
GB38031中的振動(dòng)試驗(yàn)要求都引用了方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T2423.10(正弦)和GB2423.56(隨機(jī)),因此我們?cè)谧鰟?dòng)力電池的振動(dòng)試驗(yàn)前,先做頻響檢查,振動(dòng)試驗(yàn)后再做頻響檢查,如果前后對(duì)應(yīng)頻響數(shù)據(jù)變化較大,就意味著動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)的固有頻率發(fā)生明顯的向下漂移,這說明電池結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生了較大幅度的降低,結(jié)構(gòu)剛度也會(huì)影響動(dòng)力電池的安全?;蛘哒f對(duì)頻響數(shù)據(jù)有可疑之處,企業(yè)應(yīng)盡早進(jìn)行摸底和驗(yàn)證試驗(yàn),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
試驗(yàn)監(jiān)控儀器的準(zhǔn)備
GB38031標(biāo)準(zhǔn)中的振動(dòng)試驗(yàn)過程,動(dòng)力電池是有一定荷電狀態(tài)SOC,不能排除電壓(包括電池單體)會(huì)出現(xiàn)異常,即振動(dòng)試驗(yàn)期間發(fā)生電壓銳變,因此有必要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外,在試驗(yàn)過程中,不能排除包括電池單體在內(nèi)的出現(xiàn)熱失控,同理,也有必要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。振動(dòng)試驗(yàn)前就應(yīng)該準(zhǔn)備好電壓和溫度等監(jiān)控裝置,如發(fā)生廠商規(guī)定量值得電壓銳變,就應(yīng)停止試驗(yàn),意味著振動(dòng)試驗(yàn)的失敗。
GB38031的第6.2條對(duì)監(jiān)控測(cè)量?jī)x器提出了準(zhǔn)確度的要求,振動(dòng)試驗(yàn)前應(yīng)該確認(rèn),電壓測(cè)量裝置的準(zhǔn)確度不低于滿篇刻度的±0.5%,溫度測(cè)量裝置的準(zhǔn)確度不低于±0.5℃。
電池的振動(dòng)試驗(yàn)有振動(dòng)能量的傳播,振動(dòng)試驗(yàn)還是破壞性試驗(yàn),不排除試驗(yàn)過程出現(xiàn)熱失控而發(fā)生火災(zāi),因此,振動(dòng)試驗(yàn)過程有必要在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)附近配置滅火器具。
振動(dòng)試驗(yàn)前,監(jiān)控流程布局要求應(yīng)按圖4:振動(dòng)試驗(yàn)過程監(jiān)控示意圖。
圖4 振動(dòng)試驗(yàn)過程監(jiān)控示意圖。
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