李博

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引言

鋰離子蓄電池在使用過程中存在爆炸和自燃等風險[1]。礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池應用在爆炸性環(huán)境中，且大部分處于振動狀態(tài)，振動疲勞導致的防爆失效嚴重威脅煤礦井下生產(chǎn)安全。因此，研究振動狀態(tài)下礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池隔爆結(jié)構(gòu)的可靠性、可持續(xù)高負荷輸出及電池管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行十分必要[2-3]。

目前針對礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池振動試驗的方法主要為正弦振動，其參數(shù)：頻率為10～55 Hz，振幅峰值為0.35 mm或最大加速度為50 m/s2，3個相互垂直方向各掃頻循環(huán)5次。該試驗方法主要針對鋰離子蓄電池組和電源的結(jié)構(gòu)強度靜態(tài)、振動特性和工藝缺陷進行分析，不能反映電池組和蓄電池結(jié)構(gòu)疲勞壽命，在振動狀態(tài)下的性能穩(wěn)定性、可靠性及蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的振動響應，對激勵狀態(tài)下的振動特性也反映不全面[4-5]。

隨機振動一般不是針對單個現(xiàn)象，而是大量現(xiàn)象的集合。這些現(xiàn)象似乎是雜亂的，但從總體上看仍有一定的統(tǒng)計規(guī)律。隨機振動和正弦振動相比,具有連續(xù)的頻譜,能同時在所有頻率上測試試件間相互作用，相比正弦振動模擬實際振動環(huán)境更嚴酷、更真實、更有效[6-7]。本文采用隨機振動中常用的虛擬激勵法對礦用車載鋰離子蓄電池進行振動響應分析。分析結(jié)果表明：隨機振動試驗更適用于礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池最終定型試驗和型式試驗[8-9]。

1 隨機振動激勵模型建立

采用虛擬激勵法和有限元通用軟件對礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池建立動力學模型?？紤]金屬部件和非金屬部件的剛度、接觸參數(shù)差異，基于實際裝配關(guān)系對殼體、內(nèi)部支撐框架、電池管理系統(tǒng)、電池組及主要緊固彈性構(gòu)件進行模態(tài)分析，保證主要部件的振型不被遺漏，分析被測樣品在隨機振動條件下的響應值和響應分布[10-11]。測試流程如圖1所示。

圖1 測試流程

隨機振動是任一時間瞬時值不能預先確定的機械振動，無法用確定函數(shù)而須用概率統(tǒng)計方法定量描述其振動規(guī)律[12]，其響應可以通過n自由度隨機振動動力學方程獲得。

MX+CY+GZ=f(t)

(1)

式中：M，C，G分別為電源振動系統(tǒng)的質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)；X,Y,Z分別為位移、速度和響應加速度矢量；f(t)為振動激勵。

當激勵為加速度φ(t)時，激勵運動可描述為

MX+CY+GZ=Maφ(t)

(2)

式中a為激勵加速度矢量。

對系統(tǒng)進行模態(tài)求解，令f(t)=0，得到自由振動方程：

MX+CY+GZ=0

(3)

2 試驗方法設計

被測礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池結(jié)構(gòu)如圖2所示。依據(jù)應力變化和疲勞損壞特點，在金屬部件和非金屬部件剛度不同的視窗處、接觸參數(shù)可能發(fā)生變化的導電片和電源輸出端子處、影響工作穩(wěn)定性的傳感器和通信連接處及影響隔爆性能的殼體處[13]布置8個加速度傳感器，以測試加速度響應。布置位置：1號、2號傳感器布置在電池組導電片，3號傳感器布置在電池緊固梁處，4號傳感器布置在上蓋處，5號傳感器布置在視窗上，6號傳感器布置在電池管理系統(tǒng)通信線連接端子處，7號傳感器布置在電源輸出端子處，8號傳感器布置在內(nèi)置霍爾傳感器上。

1-霍爾傳感器；2-鉸鏈；3-門；4-螺栓；5-電池組導電片；6-鋰離子蓄電池；7-電池緊固梁；8-底靴；9-機芯；10-前門法蘭；11-視窗；12-前門；13-電源輸出端子；14-貼板；15-通信線連接端子；16-上蓋法蘭；17-上蓋；18-A1引入裝置；19-穿腔端子；20-手把。

參考GB/T 31467.3—2015《電動汽車車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全性能要求與測試方法》對被測鋰離子蓄電池施加一個Y方向的單項180 Hz隨機激勵，并在電源80%最大負載工況下持續(xù)輸出8 h，測試其關(guān)鍵連接部位加速度響應、接觸電阻、溫度和振動前后隔爆間隙的變化。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

表1為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)觸點加速度響應，其中g(shù)為重力加速度?？煽闯鐾徽駝庸r下不同的接觸點響應差異較大，最大響應速度在上蓋處，最小響應速度在霍爾傳感器處。在長期振動工況下，因振動響應不一致，在振動惡劣的位置會先出現(xiàn)疲勞損壞，如：視窗和整個腔體振動的不一致會導致隔爆間隙發(fā)生變化，從而影響隔爆腔體的防爆性能：輸出節(jié)點和導電片出現(xiàn)振動疲勞會導致接觸電阻變大，局部溫度過高，而高溫環(huán)境容易導致鋰離子蓄電池薄膜老化或降解，從而引起電池自燃甚至爆炸；電池管理系統(tǒng)通信連接處如果出現(xiàn)疲勞破壞會導致電池管理系統(tǒng)監(jiān)控失效，嚴重影響電池組可靠性[14]。

表1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)觸點加速度響應(Y方向)

表2為振動試驗前后接觸電阻、溫度和隔爆間隙的變化，其中R1代表電池組到DC/DC輸入端間接觸電阻，R2代表DC/DC輸出端到接線腔端子間電阻。

表2 隨機振動前后鋰離子蓄電池參數(shù)變化

從表2可看出，被測鋰離子蓄電池經(jīng)過8 h的振動試驗，隔爆腔體和殼蓋處的隔爆間隙雖然還滿足I類防爆電氣設備的要求，但隔爆間隙顯著增大，在該工況下長期使用存在隔爆失效(傳爆)的風險；蓄電池正極接線柱由于工藝、材質(zhì)或緊固期間裝配的原因，接觸電阻變大，導致局部發(fā)熱量明顯增加，如果溫度持續(xù)上升可導致鋰離子蓄電池薄膜融化，存在燃燒甚至爆炸風險。

因此，鋰離子蓄電池在整體設計和完善階段要多考慮裝配體的模態(tài)分析，關(guān)鍵部件盡量降低振動響應，并在振動響應較大的位置通過隔振、減振、改變振動方向、增加阻尼等方式降低局部振動。

4 結(jié)語

對礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池施加隨機激勵，并從加速度響應、接觸電阻、溫度和隔爆腔體間隙變化4個方面分析了鋰離子蓄電池在振動工況下可能產(chǎn)生的防爆性能和電氣性能變化。試驗結(jié)果表明，礦用車載隔爆型鋰離子蓄電池在隨機振動試驗中能充分暴露產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計缺陷，可為鋰離子蓄電池整體結(jié)構(gòu)、應力變化、工作穩(wěn)定性分析和疲勞壽命預測提供有效的數(shù)據(jù)支持。在開發(fā)和定型環(huán)節(jié)基于鋰離子蓄電池隨機振動試驗結(jié)果進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可有效消除由于使用工況中振動因素導致的隔爆間隙變大、接觸電阻升高、緊固件疲勞等安全隱患。