新能源動(dòng)力電池機(jī)械沖擊測(cè)試使用安全性能的影響

鮑 強(qiáng)，李小鵬

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 附屬高級(jí)技術(shù)學(xué)校，天津 300222)

新能源動(dòng)力電池作為能源汽車最關(guān)鍵的核心組成部分，直接影響到新能源汽車的使用性能及安全性。因新能源汽車自身的短板問題，在使用過程中會(huì)突然發(fā)生汽車起火、自燃等事故。 據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，電動(dòng)汽車起火的多數(shù)原因皆因動(dòng)力電池造成的，其中有電池材料的質(zhì)量問題，也有電池機(jī)械可靠性不足造成的問題。而機(jī)械沖擊測(cè)試就是檢驗(yàn)考核新能源動(dòng)力電池性能的可靠性及安全性的重要測(cè)試手段。

新能源電動(dòng)汽車對(duì)于促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和我國(guó)低碳環(huán)保經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展都有極為重要的作用，新能源汽車的普及發(fā)展對(duì)汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展也極為重要的。新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)認(rèn)為，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展帶動(dòng)了動(dòng)力電池行業(yè)的不斷進(jìn)步。其中磷酸鐵鋰電池市場(chǎng)占有率持續(xù)提升，鋰、鈷、鎳等為代表的資源將成為動(dòng)力電池的稀缺資源。認(rèn)為動(dòng)力電池中的鋰電池發(fā)熱、自燃、自爆事件的時(shí)有發(fā)生，會(huì)造成一定的人身傷害及財(cái)產(chǎn)損失，給大家?guī)砹丝謶帧Ｐ履茉雌嚨淖畲箫L(fēng)險(xiǎn)是新能源動(dòng)力電池發(fā)生損毀后引發(fā)的火災(zāi)事故，或電池?fù)p毀及機(jī)械性能下降后更換電池組帶來的巨大維修成本。不同品牌新能源汽車使用的電池類型有所差異，該研究重點(diǎn)探討不同類型的新能源動(dòng)力電池在不同沖擊加速度下的性能。

1 建模方式與仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池即為工具提供動(dòng)力來源的電源，多指為電動(dòng)汽車、電動(dòng)列車、電動(dòng)自行車等提供動(dòng)力的蓄電池，該動(dòng)力取代了汽油和柴油燃料，成為了電動(dòng)汽車或電動(dòng)自行車的行駛動(dòng)力電源。目前市場(chǎng)上已經(jīng)商業(yè)化的動(dòng)力電池主要為鋰離子電池、鎳氫電池、鈉硫電池、鉛酸電池等相關(guān)種類。

為了分析以上幾種動(dòng)力電池的機(jī)械性能，構(gòu)建仿真模擬下的動(dòng)力電池在正常運(yùn)行、碰撞、擠壓、碾壓等不同狀況下對(duì)新能源汽車及電池的影響，通過動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)力學(xué)概念在外載荷作用的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等不同規(guī)律下，對(duì)電極結(jié)構(gòu)(內(nèi)阻、轉(zhuǎn)化率)、絕緣結(jié)構(gòu)(損毀、轉(zhuǎn)化率)、電解液容器(損毀、轉(zhuǎn)化率)結(jié)構(gòu)的影響。

Matlab構(gòu)建結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，使用Simulink仿真電化學(xué)過程，使用SPSS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)差異性，該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真可以將諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置5個(gè)機(jī)械沖擊加速度級(jí)別，1倍加速度為新能源汽車常規(guī)行駛中最大程度高速顛簸帶來的最大加速度；5倍加速度為新能源汽車常規(guī)碰撞事故(車速<80 km/h)中可能受到的最大加速度；9倍加速度為新能源汽車高速行駛(相對(duì)車速<120 km/h)對(duì)撞時(shí)可能帶來的最大加速度。9倍加速度達(dá)到人體承受極限，9倍加速度以上會(huì)對(duì)駕駛?cè)藥韲?yán)重?fù)p傷或可導(dǎo)致駕駛?cè)怂劳觥?/p>

2 機(jī)械沖擊對(duì)電池內(nèi)阻的影響

新能源動(dòng)力電池進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗(yàn)的目的就是通過可控的加速度和脈寬的沖擊，來衡量該產(chǎn)品承受沖擊的工作能力。由于動(dòng)力電池存儲(chǔ)能量的性質(zhì)，在其能量釋放過程中，電池內(nèi)部溫度就會(huì)持續(xù)升高。而動(dòng)力電池在運(yùn)行時(shí)的不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)電池內(nèi)阻高時(shí)，放電時(shí)電池發(fā)熱就要高一些，當(dāng)電池內(nèi)阻低時(shí)，電池消耗的功率就會(huì)少。當(dāng)內(nèi)阻在不同機(jī)械沖擊加速度下的增加量高至一定程度時(shí)，引發(fā)電池嚴(yán)重發(fā)熱可能就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)事故。通過專業(yè)的機(jī)械沖擊測(cè)試分析，不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻的增加量均值對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻增加量均值對(duì)比

由表1可知，在1倍加速度下新能源汽車常規(guī)行駛中鋰離子電池的內(nèi)阻增加最大；5倍加速度下新能源汽車在常規(guī)碰撞時(shí)鋰離子、鎳氫和鈉硫電池產(chǎn)生的內(nèi)阻無大差異，鉛酸電池的內(nèi)阻增加量偏高；7倍和9倍加速度下新能源汽車高速行駛發(fā)生對(duì)撞時(shí)鈉硫、鉛酸電池的內(nèi)阻增加量最高，而鋰離子電池和鎳氫電池的內(nèi)阻增加量不明顯。說明在高速度下發(fā)生碰撞時(shí)鋰離子電池和鎳氫電池的內(nèi)阻效果較好，電池發(fā)熱不嚴(yán)重，安全性能較高。

針對(duì)此4種動(dòng)力電池在不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻增加量均值對(duì)比進(jìn)行可視化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 動(dòng)力電池不同沖擊加速度下電池內(nèi)阻增加量均值對(duì)比可視化結(jié)果

由圖1可明顯看出鋰離子電池在新能源汽車高速行駛時(shí)的9倍加速度對(duì)撞時(shí)機(jī)械沖擊下電池內(nèi)阻增加較少，且在1倍加速度正常行駛狀態(tài)下的內(nèi)阻增加量較其他電池內(nèi)阻偏高。這說明鋰離子電池最適合在新能源汽車中使用，其可以減小動(dòng)力電池的內(nèi)阻增加，預(yù)防電池嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象，減低汽車著火及自燃的發(fā)生率，同時(shí)增加了司機(jī)和乘客的安全性。

3 機(jī)械沖擊對(duì)電池轉(zhuǎn)化率的影響

不同加速度下的機(jī)械沖擊使得動(dòng)力電池在瞬間產(chǎn)生應(yīng)變能力也不相同，不同于電池在靜載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能都比較穩(wěn)定，發(fā)生的故障很小。為了考核動(dòng)力電池在沖擊環(huán)鏡下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能穩(wěn)定，對(duì)不同沖擊加速度下電池轉(zhuǎn)化率進(jìn)行對(duì)比分析，4種動(dòng)力電池的電池轉(zhuǎn)化率均值對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 不同沖擊加速度下電池轉(zhuǎn)化率均值對(duì)比表

由表2可知，電池轉(zhuǎn)化率為電池實(shí)際完全放電量與標(biāo)定放電量的比值。4種動(dòng)力電池在1倍、3倍的加速度正常行駛中電池的轉(zhuǎn)換率值很相似，在7倍加速度下新能源汽車碰撞時(shí)鋰電池轉(zhuǎn)化率最高；在9倍加速度高速行駛對(duì)撞時(shí)也是鋰電池的轉(zhuǎn)化率最高，且較其他3種電池的轉(zhuǎn)化率差距明顯。

為對(duì)比4種動(dòng)力電池在不同沖擊加速度下的電池轉(zhuǎn)化率值，對(duì)其進(jìn)行可視化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 動(dòng)力電池不同沖擊加速度下電池轉(zhuǎn)化率均值對(duì)比可視化結(jié)果

由圖2可知，鋰電池在不同沖擊加速度下電池轉(zhuǎn)化率都比較穩(wěn)定，該動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能也比較穩(wěn)定，保障了新能源汽車的安全性。

4 機(jī)械沖擊對(duì)電池?fù)p毀風(fēng)險(xiǎn)的影響

在使用動(dòng)力電池時(shí)，如果因機(jī)械沖擊頻繁的進(jìn)行急加速和急減速，都對(duì)動(dòng)力電池的耗損比較大，收到?jīng)_擊時(shí)的電池脈沖高電壓能在極短的時(shí)間造成鋰電池內(nèi)部發(fā)生短路及微短路現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，嚴(yán)重的高溫能影響到電池容量的驟減和電芯的永久性損壞，繼而造成安全事故。對(duì)新能源動(dòng)力電池在不同沖擊加速度下電池機(jī)械結(jié)構(gòu)損毀概率分析對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 不同沖擊加速度下電池機(jī)械結(jié)構(gòu)損毀概率對(duì)比表

由表3可知，在不同沖擊加速度下，鋰離子電池的電池機(jī)械結(jié)構(gòu)損毀率較其他3種動(dòng)力電池的損毀率低，特別是在9倍加速度高速行駛對(duì)撞時(shí)，鋰離子電池的損毀率與其他動(dòng)力電池的損毀率差距非常明顯。

對(duì)各種動(dòng)力電池在不同沖擊加速度下的電池機(jī)械結(jié)構(gòu)損毀概率對(duì)比結(jié)果進(jìn)行可視化，結(jié)果如圖3如示。

圖3 動(dòng)力電池不同沖擊加速度下電池機(jī)械結(jié)構(gòu)損毀概率對(duì)比可視化結(jié)果

由圖3可知，鋰離子電池的機(jī)械結(jié)構(gòu)損毀率最低，該電池的使用壽命也優(yōu)于其他動(dòng)力電池，降低了新能源汽車的一次采購(gòu)成本和動(dòng)力電池的更換率。

5 結(jié)語

隨著我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，新能源動(dòng)力電池也成為了電池行業(yè)中增長(zhǎng)最快的部分。本研究針對(duì)新能源動(dòng)力電池機(jī)械沖擊測(cè)試原理進(jìn)行模型研究及對(duì)建模方式與仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，探討了動(dòng)力電池在不同沖擊加速度下機(jī)械沖擊對(duì)電池內(nèi)阻、轉(zhuǎn)化率及機(jī)械沖擊對(duì)電池?fù)p毀風(fēng)險(xiǎn)的影響，證明了動(dòng)力電池具有優(yōu)良的綜合性能。特別是鋰離子電池在4種電池機(jī)械沖擊測(cè)試中其性能更優(yōu)于其他的動(dòng)力電池，說明鋰離子電池在新能源行業(yè)中的適應(yīng)性及領(lǐng)先性，成為了我國(guó)新能源電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展的重要參考依據(jù)。