动力电池标准GB 38031中振动试验的剖析

编 者 按

GB 38031-2020是我国电动汽车用动力电池领域第一个逼迫性安全国家标准，本文从动力电池振动试验的检测目的、送样哀求、振动试验特点及配套工装哀求等做了深度比拟剖析和技能归纳，帮助干系的动力电池企业提高产品的合格率,赞助干系的电池实验室测试职员提高综合试验能力，有利于提升行业检测技能水平。

弁言

GB 18384-2020《电动汽车安全哀求》和GB 38032-2020《电动客车安全哀求》以及GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全哀求》是我国电动汽车领域首批逼迫性国家标准，将于2021年1月1日起开始履行。
经国家工业和信息化部赞许在标准履行日期2021年1月1日之前，许可企业根据自身情形提前实行以上逼迫性国家标准，在申请产品准入时，可依据逼迫性标准进行考验检测，干系考验检测报告作为准入的依据。

新标准GB38031-2020是由2个推举性标准GB/T31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全哀求及试验方法》和GB/T31467-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分：安全性哀求与测试方法》领悟而来的，与我国牵头制订的联合国电动汽车安全技能法规UN GTR 20全面接轨,进一步提高和优化了对电动汽车整车和动力电池产品的安全性技能哀求。

GB38031-2020中对单体电池没有振动试验哀求，而对电池包和电池系统却有相应的振动试验的哀求，其振动试验条件与GB/T 31467.3-2015比较显得更加细致和严格，这也呈现了新标准重点强化了电池产品整体构造抗振能力对安全性保障的主要性，也意味着动力电池企业在产品构造设计不能忽略以刚度乃至刚质比等构造参数为主的机器强度指标，以担保自己的动力电池产品顺利进军新能源汽车产品的大市场。

1 动力电池振动试验目的

GB38031-2020中的振动试验是环绕安全指标来考察动力电池的能力，在该标准的第5章，所有的安全指标都逐一呈现。
个中振动试验的安全指标包括：够绝缘、无锐变、不燃、不爆、不漏、不裂等，这些指标与电池单体的同等性密切干系，可以说振动试验也间接地考察了电池单体性能同等性，新标准表示的最基本的安全哀求，也是动力电池的市场准入最最少哀求。
例如，电池包在振动试验期间和试验后，最最少不会涌现热失落控的动怒或爆炸，不许可有电压的锐变等，不能涌现壳体构造分裂乃至化学液体泄露，绝缘构造该当无缺无损。

与普通燃油汽车 DC12V蓄电池比较，电动汽车动力电池的绝缘电阻技能哀求有很大的差别，电动汽车的电压和电流等级都较高，车载电池包电压一样平常在几百伏，超出特低电压的限值，防触电的哀求就突出了。

根据国家标准GB3805《特低电压（ELV）限值》可知在一定电压浸染下，对有触电保护装置的情形，人体许可通过的电流为30mA。
一样平常在干燥、正常情形下人体的电阻约为2000旁边，可以推测直流电压大于60V会对人体有电击的侵害，由于电动汽车电池系统是一种超过100V的高压，并且是一种高能量存储装置，因此在无任何防触电保护情形下，职员触及将极其危险。
以是GB38031标准对振动试验的安全验证明确提出了绝缘电阻不小于100/V的哀求。
因此，在电动汽车及配套主件的开拓中，要把稳高压电气系统的绝缘设计，严格掌握绝缘电阻值，担保泄露电流在安全的范围内。

振动能量的传播每每会对动力电池的绝缘构造产生一定的毁坏浸染，作为产品构造设计师必须考虑绝缘构造能否耐受电动汽车路况的多种振动，保障安全指标不会降落，因此，电池单体、模组、电池包以及电气连接须要设计足够的电气间隙和爬电间隔，不仅要担保电池系统绝缘材料构造在振动环境下的机器稳定性，纵然其在长期利用涌现一定构造变革后，仍能确保不会绝缘失落效。

新标准GB38031中的振动试验的哀求只涉及安全，不涉及性能特性和功能特性等与可靠性干系的指标，固不能将新标准中的振动试验完备取代与动力电池可靠性考察所涉及的全部振动试验。

2 送样哀求和试验工具

电池包的振动试验不是纯挚将样品安装在振动台台面上的裸机振动试验，试验过程须要状态监测，离不开电池包配套附设件的连接和调试等流程，正如标准GB38031的第6.1条所述，电池厂商在委托第三方机构检测送样时须要供应电池包或电池系统交付须要包括必要的操作文件以及和测试设备相连所需的接口部件，如电插器、插头、冷却系统接口，以及产品构造示意图等，明确试验所需的主要参数如安全事情限值、充放电截止条件和电压锐变阈值等，确保预处理和振动试验时样品能正常运作。

标准GB38031的第8.2.1.1条明确规定，振动试验的工具是电池包或电池系统，不是电池单体。

3 振前样品的预处理哀求

在振动试验前，电池包或系统样品须要前辈行预处理循环，以确保在振动试验时样品的性能处于激活或稳定的状态，在此提出，预处理失落败（如电池容量达不到哀求）的样品是不能做振动试验的，作为不合格样品返还电池制造商。

按电化学事理，动力电池的激活是指将电池内部电解物质的电化学活性“唤醒”，电池久而不用，其内部电解物质活性每每会暂时性降落或暂时性停滞，激活后电池又会处于正常状态。
在动力电池中，锂离子电池占了大部分，锂离子电池在永劫光搁置，长期大电流充放电，或永劫光非满电状态利用情形下，电极活性材料在预处理的首次满充满放中，随意马虎涌现容量较低的征象。
因此须要进行标准充放电进行激活。
且由于锂离子电池真实荷电状态受多种成分的影响，如在较低温度下，低温导致电池活性降落，动力电池阴极和阳极电极活性材料以及电解液等离子扩散阻抗增加，电池相对正常温度下荷电状态会较低（同一开路电压下）。
如利用较高或较低的充放电电流调节电池荷电状态，也会因阻抗分压较大或过小而导致荷电状态不准。
为了担保电池样品在测试前状态的均一性，须要对动力电池进行标准化的预处理，使电池的状态稳定。

振动试验的电池样品预处理按GB38031标准第7.2.2条进行，在室温条件下，个中的充放电电流都哀求小于1/3的充放电倍率，不充不放的静止韶光一样平常是30min，充放电截止条件由电池制造商规定，或者静止韶光也按厂商规定。
样品预处理过程中，避免任何过充过放的操作，以免影响振动试验后的测试参数比拟。

预处理通过的剖断：

①样品连续2次的放电容量变革均不高于额定容量的3%，预处理成功。

②样品连续5次的充放电循环都正常，预处理成功。

全体预处理的步骤见图1样品预处理流程示意图。

图1 样品预处理流程示意图

振动试验对电池的化学物质的活性有毁坏浸染，在验证其毁坏浸染，就必须在振动前先激活动力电池并确认振动前电池性能是稳定，即先做样品的预处理，以便做试验前后的测试数据比拟，综合评估电池的耐振能力。

4 试验夹具和样品固定办法的主要性

电池的振动试验涉及到振动能量的传播，这涉及到能量的传播方向或路径，试验样品安装应符合GB/T2423.43的哀求，如果样品安装办法不当，每每会改变振动能量的真实传播，终极影响到试验结果。
电池振动试验的能量传播方向和路径见图2：振动能量传播示意图。

图2 振动能量传播示意图

从图2的传播示意图可以看出，试验夹具和电池包固定板(支撑脚)对能量通报链条中起着关键的浸染。

动力电池振动能量传播的第统统入点是电池包的固定板，在作螺钉固定时有必要仿照装车的实况，固定板在电池包壳体的支配状况见图3电池包的支撑脚。

图3 电池包的支撑脚

对付试验夹具，必须确保其一阶固有频率必须远高于试验频率的上限，例如GB38031振动的频率上限是200Hz，那么夹具在试验前必须先做频率相应检讨，如果其三个轴向的一阶固有频率均远高于200Hz，试验夹具才许可利用。

电池包固定板(外壳支撑脚)是电池样品的振动应力传输路径的最先导入点，试验样品的与振动台面耦合安装的固定位置和固定点数必须符合装车状况，或试验样品的与夹具耦合安装的固定位置和固定点数必须符合装车状况。

GB38031中的振动试验哀求都引用了方法标准GB/T2423.10(正弦)和GB2423.56（随机），因此我们在做动力电池的振动试验前，先做频响检讨，振动试验后再做频响检讨，如果前后对应频响数据变革较大，就意味着动力电池构造的固有频率发生明显的向下漂移，这解释电池构造的刚度发生了较大幅度的降落，构造刚度也会影响动力电池的安全。
或者说对频响数据有可疑之处，企业应尽早进行摸底和验证明验，在产品设计阶段及时进行调度。

5 试验监控仪器的准备

GB38031标准中的振动试验过程，动力电池是有一定荷电状态SOC，不能打消电压（包括电池单体）会涌现非常，即振动试验期间发生电压锐变，因此有必要对动力电池进行电压实时监控。
其余，在试验过程中，不能打消包括电池单体在内的涌现热失落控，同理，也有必要对动力电池进行温度实时监控。
振动试验前就该当准备好电压和温度等监控装置，如发生厂商规定量值得电压锐变，就应停滞试验，意味着振动试验的失落败。

GB38031的第6.2条对监控丈量仪器提出了准确度的哀求，振动试验前该当确认，电压丈量装置的准确度不低于满篇刻度的0.5%，温度丈量装置的准确度不低于0.5℃。

电池的振动试验有振动能量的传播，振动试验还是毁坏性试验，不用除试验过程涌现热失落控而发生失火，因此，振动试验过程有必要在振动试验台附近配置灭火用具。

振动试验前，监控流程布局哀求应按图4：振动试验过程监控示意图。

图4 振动试验过程监控示意图

6 振动试验顺序特点

在GB 38031标准的第8.2条中，规定汽车行驶方向为x轴向，即前后方向便是x轴向，旁边方向为y方向，高下方向（垂直方向）便是z轴向。

振动试验前，根据电池的装车实况，振动方向的布局可参考图5电池包的振动试验过程监控示意图。

图5 电池包的振动方向示意图

该标准的振动试验推举的试验顺序为先垂直方向后水平方向，先做随机振动后做正弦振动。
以重型电动汽车为例，一样平常的顺序路子如图6振动试验的一样平常顺序示意。

图6 振动试验的一样平常顺序示意

振动试验顺序可根据实际情形，做出合理调度，该标准的第8.2.1.4条中提到：检测机构也可自行选择（试验）顺序，以缩短（轴向）转换韶光。
图7是电池包在垂直方向的振动试验实况图。

图7 电池包在垂直方向的振动试验实况图

7 振动量级的施加与动力电池对应的车辆类型有关

在GB 38031标准的第8.2.1条中，电池包产品对应的振动试验的测试条件按轻重车型（参照GB/T 15089）明确划分为两种：

●轻型电动汽车（轻型客车M1类和轻型货车N1类）的振动测试条件（GB 38031的表3 和图3）

●重型电动汽车（轻型客车非M1类和轻型货车非N1类）的振动测试条件（GB 38031的表2 和图2）。

在此有必要提醒，电池包产品厂商该当在供应的产品技能资料明确其产品的适用车型，以便后续的振动试验测试条件与实际电池包产品装车状况相符合。

轻型电动汽车和重型电动汽车配对的动力电池的振动试验条件从随机加速度谱密度和随机加速度量值以及正弦加速度和定频频率都是不同的，见图8不同车型的动力电池振动试验参数比拟图。

图8 不同车型的动力电池振动试验参数比拟图

8 振动试验的环境条件明确：温度、湿度、大气压

在GB 38031标准的第6.1.1条中，规定了振动试验的环境条件，也便是试验室的环境条件，环境条件涵盖了环境温度、环境湿度和大气压力等哀求，详细参数如下：

环境温度：（225）℃，即温度在（17~27）℃范围。

相对湿度：在（10~90）%RH范围。

大气压力：在86~106 kPa范围。

上述振动试验的环境条件，也便是试验室的环境条件，因此，振动试验区域除了要有环境温湿度仪器监控外，还要有大气压力仪表等仪器，确认试验环境条件符合GB 38031的规定，确保振动试验的环境条件是符合再现性的哀求。

9 GB 38031标准与UN 38.3标准的振动试验条件比拟

GB 38031标准涉及的紧张是随机振动试验（有少量正弦振动），UN 38.3标准涉及是正弦振动试验。

GB 38031标准中的振动试验是居于利用环境，对样品固定条件与实际的电池装车状况相符合；而UN 38.3标准中的正弦扫频振动是居于电池运输环境，对样品固定条件比较宽松，或者是一样平常的刚性固定。

正弦振动试验与随机振动试验纵然是在加速度和频率范围和对应的加速度数学量值相等，但两者试验是不能等效的。
正弦振动试验与随机振动试验的试验办法或者说考察产品的角度，两者是不能相互代替的。

扫频正弦振动试验可以不雅观察到产品构造的刚度变革过程及量值，在适当的仪器帮助下可以直接检测到电池试样的动态刚度，并剖断因共振疲倦毁坏的频率漂移状况，动态刚度与静态刚度不同，动态刚度是振动频率的函数，动态刚度是车辆及其组件的机器强度和机器稳定性的一个主要指标，如果动力电池的动态刚度足够，那么其机器强度和机器稳定性就有保障。

按道路随机路谱的随机振动试验对车辆运行路况仿照真实度比较高，尤其是车辆较真实振动状态下电池产品事情状态的监控，更能较真实地仿照电池事情的耐振能力及安全特性。

表1 电池振动试验特性比拟

10 结束语

电动汽车能否彻底取代传统的燃油汽车，取决于动力电池技能的打破，动力电池的安全问题是紧张问题。
振动环境贯穿在电动汽车全体利用过程中，繁芜的路况振动会对动力电池的安全性产生不利影响。
在节制精确的试验方法下，通过标准GB 38031-2020的仿照路况振动试验，可以验证动力电池产品的安全性是否符合规定哀求，明确产品构造设计是否达到基本的机器强度。

本文节选自2020年《环境技能》第5期

文章：动力电池标准GB38031中振动试验的阐发作者：廖国清，黄鲲，李海单位：中国电器科学研究院株式会社，威凯检测技能有限公司

专家简介：

廖国清（1963-）,男，高等工程师，研究方向：电子电器产品技能及环境可靠性试验；黄鲲（1980-）, 男，硕士，高等工程师，研究方向：电池产品技能及综合测试性工程；李海（1989-）, 男，博士，资深工程师，研究方向：动力电池产品技能。

@《环境技能》中国科技核心期刊