机械冲击测试的重要性

由于高能量密度、长寿命和强大的稳定性，锂离子电池被认为是电动汽车的首选动力能源。动力电池作为新能源汽车的核心部件，虽然经过几十年的发展，LIB技术已经趋于成熟，但安全问题仍时有发生。机械滥用如机械冲击、振动等是引起电池起火爆炸的重要诱因，因此很有必要先进行模拟测试来评估电池的安全性。

振动试验讲究持续性，疲劳性，如电池在运输过程或者新能源汽车在行驶过程中的颠簸振动等，是一个长期的过程。冲击试验是瞬间性的，破坏性的，其目的是评价在加速、减速、车轮掠过有凹坑或者石头路面等工况下的电池包机械结构强度，以确保其结构的强度和稳定性符合要求。

本期我们将总结对比目前国内外有关电动汽车用动力电池机械冲击测试的标准，分析各个标准规定参数的异同点，以及参数对于影响测试失效的具体行为。

国内外标准分析

? 中国：GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》以及GB/T 44257.1-2024《电动土方机械用动力电池第1部分：安全要求》在冲击方向上，只要求测试z（厚度）的正负两个方向，对电池的其他方向测试不做要求。

? 美国：美国汽车工程师学会的SAE J2464:2021《电动和混合动力汽车可充电储能系统安全性和滥用测试》以及美国保险商试验所编制的UL 2580-2022《电动汽车用电池》，其中都有关于机械冲击的测试。

? 国际：ISO 6469-1:2019《电动道路车辆-安全规范-第1部分：可充电储能系统》

我们将以上标准的机械冲击测试要求汇总如下表，并进行分析。

对于机械冲击测试来说，一些参数可能会对测试结果有较大的影响，主要如下：

1）SOC：这几个标准都是要求最高SOC。有研究表明，不同SOC状态的电池在压降过程中具有一致性，电压变化规律、变化时间点、变化位置等均具有重复性，因此电池电量对冲击过程中的压降规律、压降趋势等电化学性能并不会产生影响。但高SOC状态下，电池遭受冲击后着火、爆炸的风险性高。

2）冲击方向：GB 38031与GB/T 44257.1都只要求测试z的正负两个方向，而其他标准则要求6个方向都进行测试。对于电池来说，z向的冲击更为危险，随着电池在试验中逐渐压实，单体严重失效，产生的热量不能有效散出，最终导致了热失控的产生。相比之下，x和y向在冲击试验过程中，可能由于电池外壳框架碎裂后电池单体相互散开，热量能快速散布到周围的环境中，不会引发热失控，对电池的影响不大，因此GB 38031等国标对其他方向的冲击测试不做要求。

3）峰值加速度与脉冲时间：SAE J2464以及UL 2589所要求的峰值加速度和脉冲时间都是最严格的，达25g以及15ms。加速度是表示物体速度变化快慢的物理量，其值越大，速率变化越快，冲击时所承受的峰值载荷就越大，对电池的要求越高，测试越严格。

4）冲击次数：ISO 6469和GB 38031等要求每个方向进行6次冲击，而SAE J2464、UL 2589只需进行3次冲击。冲击次数越多，电池的累积损伤越严重，电池越易发生短路失效。

脉冲波形：基本脉冲波形有半正弦波、后峰锯齿形波、梯形波等3种。其中半正弦波适用于模拟线性系统的撞击或线性系统的加减速所引起的冲击效应，例如弹性结构的撞击，主要用于测试产品在正常撞击或轻微冲击下的性能，如因汽车加减速所造成的电池结构的弹性撞击等。后峰锯齿形波主要用于需要比半正弦波更均匀响应谱的情况，如用于测试非对称三角形形状的冲击更为敏感的产品。梯形波用于需要在较宽频谱上产生更高响应的情况，如模拟产品处于复杂的冲击环境当中。三种波形示意图如下所示：

注:--为标称脉冲线；—为容差范围线；D—标称脉冲的持续时间；A—标称脉冲的峰值加速度；T1—用常规冲击机产生冲击时，对脉冲进行监测的最短时间；T2—用电动振动台产生冲击时，对脉冲进行监测的最短时间

实验分析

以下是MCM有关机械冲击的测试项目，电池额定容量180Ah，额定电压540V，尺寸2400×1600×210（mm），重量在720kg左右。

该测试采用峰值加速度50g，脉冲时间为6ms。从下图可看出，在整个冲击过程中的加速度都处于标准容差范围内。而且从测试后的外观以及电压来看，该项测试对电池的影响可以忽略不计，表明电池即使承受高载荷的外部冲击时依然可以保持高稳定性、高安全性。

总结

作为当前主要的交通工具之一，新能源汽车在交通环境复杂的道路上行驶，避免不了频繁加减速操作以及偶发的碰撞等交通事故。在此情况下，动力电池总是会承受高载荷的冲击力，非常考验电池的安全性。

通过机械冲击测试等手段，可以模拟电池在汽车发生意外事故时表现情况，确保安全合格后才能正式生产组装，以此保证人民群众的生命财产安全。

当前与动力电池机械冲击测试相关的标准已经有很多了，但在某些参数如冲击位置，冲头形状等规定还有所欠缺。以及在现实生活中汽车发生意外事故时，电池可能会承受超过安全标准的载荷冲击，此种情况下电池的安全如何保证。因此，有关机械冲击测试的具体参数还需进一步细节化，确保能囊括现实生活中动力电池会遭受绝大多数机械冲击的情景，真正确保电池的安全性。