動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)GB 38031中振動(dòng)試驗(yàn)的剖析

廖國(guó)清，黃鯤，李海

（中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司 威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

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(guó)電動(dòng)汽車領(lǐng)域首批強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，將于2021年1月1日起開始實(shí)施。經(jīng)國(guó)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(guó)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)GB 38031-2020是由2個(gè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》和GB/T 31467-2015《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(lái)的，與我國(guó)牽頭制定的聯(lián)合國(guó)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。

GB 38031-2020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)。

1 動(dòng)力電池振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

GB 38031-2020中的振動(dòng)試驗(yàn)是圍繞安全指標(biāo)來(lái)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(wú)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(shuō)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(wú)損。

與普通燃油汽車 DC 12 V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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3805《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(guò)的電流為30 mA。一般在干燥、正常情況下人體的電阻約為2 000 Ω左右，可以推測(cè)直流電壓大于60 V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(guò)100 V的高壓，并且是一種高能量存儲(chǔ)裝置，因此在無(wú)任何防觸電保護(hù)情況下，人員觸及將極其危險(xiǎn)。所以GB 38031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100 Ω/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)GB 38031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)。

2 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(guò)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)GB 38031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)GB 38031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。

3 振前樣品的預(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(yáng)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(guò)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GB 38031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30 min，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(guò)程中，避免任何過(guò)充過(guò)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(guò)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。

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，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。

圖1 樣品預(yù)處理流程示意圖

4 試驗(yàn)夾具和樣品固定方式

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/T 2423.43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。

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2 振動(dòng)能量傳播示意圖

圖3 電池包的支撐腳

圖4 振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控示意圖

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GB 38031振動(dòng)的頻率上限是200 Hz，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200 Hz，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。

GB 38031中的振動(dòng)試驗(yàn)要求都引用了方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.10（正弦）和GB 2423.56（隨機(jī)），因此在做動(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(shuō)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(shuō)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。

5 試驗(yàn)監(jiān)控儀器的準(zhǔn)備

GB 38031標(biāo)準(zhǔn)中的振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)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(guò)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)定量值的電壓銳變，就應(yīng)停止試驗(yàn)，意味著振動(dòng)試驗(yàn)的失敗。

GB 38031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(guò)程出現(xiàn)熱失控而發(fā)生火災(zāi)，因此，振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)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(guò)程監(jiān)控示意圖。

6 振動(dòng)試驗(yàn)順序特點(diǎn)

在GB 38031標(biāo)準(zhǔn)的第8.2條中，規(guī)定汽車行駛方向?yàn)閤軸向，即前后方向就是x軸向，左右方向?yàn)閥方向，上下方向（垂直方向）就是z軸向。

振動(dòng)試驗(yàn)前，根據(jù)電池的裝車實(shí)況，振動(dòng)方向的布局可參考圖5電池包的振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控示意圖。

圖5 電池包的振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控示意圖

圖6 振動(dòng)試驗(yàn)的一般順序示意

該標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)試驗(yàn)推薦的試驗(yàn)順序?yàn)橄却怪狈较蚝笏椒较?，先做隨機(jī)振動(dòng)后做正弦振動(dòng)。以重型電動(dòng)汽車為例，一般的順序途徑如圖6振動(dòng)試驗(yàn)的一般順序示意。

振動(dòng)試驗(yàn)順序可根據(jù)實(shí)際情況，做出合理調(diào)整，該標(biāo)準(zhǔn)的第8.2.1.4條中提到：檢測(cè)機(jī)構(gòu)也可自行選擇（試驗(yàn)）順序，以縮短（軸向）轉(zhuǎn)換時(shí)間。圖7是電池包在垂直方向的振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)況圖。

7 振動(dòng)量級(jí)的施加與動(dòng)力電池對(duì)應(yīng)的車輛類型有關(guān)

在GB 38031標(biāo)準(zhǔn)的第8.2.1條中，電池包產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的振動(dòng)試驗(yàn)的測(cè)試條件按輕重車型（參照GB/T 15089）明確劃分為兩種：

●輕型電動(dòng)汽車（輕型客車M1類和輕型貨車N1類）的振動(dòng)測(cè)試條件（GB 38031的表3 和圖3）；

●重型電動(dòng)汽車（輕型客車非M1類和輕型貨車非N1類）的振動(dòng)測(cè)試條件（GB 38031的表2 和圖2）。

在此有必要提醒，電池包產(chǎn)品廠商應(yīng)該在提供的產(chǎn)品技術(shù)資料中明確其產(chǎn)品的適用車型，以便后續(xù)的振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試條件與實(shí)際電池包產(chǎn)品裝車狀況相符合。

輕型電動(dòng)汽車和重型電動(dòng)汽車配對(duì)的動(dòng)力電池的振動(dòng)試驗(yàn)條件從隨機(jī)加速度譜密度和隨機(jī)加速度量值以及正弦加速度和定頻頻率都是不同的，見圖8不同車型的動(dòng)力電池振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比圖。

8 振動(dòng)試驗(yàn)的環(huán)境條件明確：溫度、濕度、大氣壓

在GB 38031標(biāo)準(zhǔn)的第6.1.1條中，規(guī)定了振動(dòng)試驗(yàn)的環(huán)境條件，也就是試驗(yàn)室的環(huán)境條件，環(huán)境條件涵蓋了環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和大氣壓力等要求，具體參數(shù)如下：

圖7 電池包的振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)況圖

圖8 不同車型的動(dòng)力電池振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比圖

環(huán)境溫度：（22±5）℃，即溫度在17～27 ℃范圍。

相對(duì)濕度：在10～90 %RH范圍。

大氣壓力：在86 ～106 kPa范圍。

上述振動(dòng)試驗(yàn)的環(huán)境條件，也就是試驗(yàn)室的環(huán)境條件，因此，振動(dòng)試驗(yàn)區(qū)域除了要有環(huán)境溫濕度儀器監(jiān)控外，還要有大氣壓力儀表等儀器，確認(rèn)試驗(yàn)環(huán)境條件符合GB 38031的規(guī)定，確保振動(dòng)試驗(yàn)的環(huán)境條件符合再現(xiàn)性的要求。

表1 電池振動(dòng)試驗(yàn)特性對(duì)比

9 GB 38031標(biāo)準(zhǔn)與UN 38.3標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)試驗(yàn)條件對(duì)比

GB 38031標(biāo)準(zhǔn)涉及的主要是隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)（有少量正弦振動(dòng)），UN 38.3標(biāo)準(zhǔn)涉及是正弦振動(dòng)試驗(yàn)。

GB 38031標(biāo)準(zhǔn)中的振動(dòng)試驗(yàn)是居于使用環(huán)境，樣品固定條件與實(shí)際的電池裝車狀況相符合；而UN 38.3標(biāo)準(zhǔn)中的正弦掃頻振動(dòng)是居于電池運(yùn)輸環(huán)境，樣品固定條件比較寬松，或者是一般的剛性固定。

正弦振動(dòng)試驗(yàn)與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)即使是在加速度、頻率范圍和對(duì)應(yīng)的加速度數(shù)學(xué)量值相等的條件下，但兩者試驗(yàn)也是不能等效的。正弦振動(dòng)試驗(yàn)與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)方式或者說(shuō)考核產(chǎn)品的角度，兩者是不能互相代替的。

掃頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)可以觀察到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的剛度變化過(guò)程及量值，在適當(dāng)?shù)膬x器幫助下可以直接檢測(cè)到電池試樣的動(dòng)態(tài)剛度，并判定因共振疲勞破壞的頻率漂移狀況，動(dòng)態(tài)剛度與靜態(tài)剛度不同，動(dòng)態(tài)剛度是振動(dòng)頻率的函數(shù)，動(dòng)態(tài)剛度是車輛及其組件的機(jī)械強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，如果動(dòng)力電池的動(dòng)態(tài)剛度足夠，那么其機(jī)械強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性就有保障。

按道路隨機(jī)路譜的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)車輛運(yùn)行路況模擬真實(shí)度比較高，尤其是車輛較真實(shí)振動(dòng)狀態(tài)下電池產(chǎn)品工作狀態(tài)的監(jiān)控，更能較真實(shí)地模擬電池工作的耐振能力及安全特性。電池振動(dòng)試驗(yàn)特性對(duì)比見表1。

10 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車能否徹底取代傳統(tǒng)的燃油汽車，取決于動(dòng)力電池技術(shù)的突破，動(dòng)力電池的安全問題是首要問題。振動(dòng)環(huán)境貫穿在電動(dòng)汽車整個(gè)使用過(guò)程中，復(fù)雜的路況振動(dòng)會(huì)對(duì)動(dòng)力電池的安全性產(chǎn)生不利影響。在掌握正確的試驗(yàn)方法下，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)GB 38031-2020的模擬路況振動(dòng)試驗(yàn)，可以驗(yàn)證動(dòng)力電池產(chǎn)品的安全性是否符合規(guī)定要求，明確產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否達(dá)到基本的機(jī)械強(qiáng)度。