動力電池標準GB 38031中振動試驗的剖析

廖國清，黃鯤，李海

（中國電器科學研究院股份有限公司 威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

GB 18384-2020《電動汽車安全要求》和GB 38032-2020《電動客車安全要求》以及GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》是我國電動汽車領域首批強制性國家標準，將于2021年1月1日起開始實施。經國家工業和信息化部同意在標準實施日期2021年1月1日之前，允許企業根據自身情況提前執行以上強制性國家標準，在申請產品準入時，可依據強制性標準進行檢驗檢測，相關檢驗檢測報告作為準入的依據。

新標準GB 38031-2020是由2個推薦性標準GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》和GB/T 31467-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分：安全性要求與測試方法》融合而來的，與我國牽頭制定的聯合國電動汽車安全技術法規UN GTR 20全面接軌,進一步提高和優化了對電動汽車整車和動力電池產品的安全性技術要求。

GB 38031-2020中對單體電池沒有振動試驗要求，而對電池包和電池系統卻有相應的振動試驗的要求，其振動試驗條件與GB/T 31467.3-2015相比顯得更加細致和嚴格，這也呈現了新標準重點強化了電池產品整體結構抗振能力對安全性保障的重要性，也意味著動力電池企業在產品結構設計不能忽視以剛度乃至剛質比等結構參數為主的機械強度指標，以保證自己的動力電池產品順利進軍新能源汽車產品的大市場。

1 動力電池振動試驗目的

GB 38031-2020中的振動試驗是圍繞安全指標來考核動力電池的能力，在該標準的第5章，所有的安全指標都一一呈現。其中振動試驗的安全指標包括：夠絕緣、無銳變、不燃、不爆、不漏、不裂等，這些指標與電池單體的一致性密切相關，可以說振動試驗也間接地考核了電池單體性能一致性，新標準體現的最基本的安全要求，也是動力電池的市場準入最起碼要求。例如，電池包在振動試驗期間和試驗后，最起碼不會出現熱失控的起火或爆炸，不允許有電壓的銳變等，不能出現殼體結構破裂乃至化學液體泄漏，絕緣結構應該完好無損。

與普通燃油汽車 DC 12 V蓄電池比較，電動汽車動力電池的絕緣電阻技術要求有很大的差別，電動汽車的電壓和電流等級都較高，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。

根據國家標準GB 3805《特低電壓（ELV）限值》可知在一定電壓作用下，對有觸電保護裝置的情況，人體允許通過的電流為30 mA。一般在干燥、正常情況下人體的電阻約為2 000 Ω左右，可以推測直流電壓大于60 V會對人體有電擊的傷害，由于電動汽車電池系統是一種超過100 V的高壓，并且是一種高能量存儲裝置，因此在無任何防觸電保護情況下，人員觸及將極其危險。所以GB 38031標準對振動試驗的安全驗證明確提出了絕緣電阻不小于100 Ω/V的要求。因此，在電動汽車及配套主件的開發中，要注意高壓電氣系統的絕緣設計，嚴格控制絕緣電阻值，保證泄漏電流在安全的范圍內。

振動能量的傳播往往會對動力電池的絕緣結構產生一定的破壞作用，作為產品結構設計師必須考慮絕緣結構能否耐受電動汽車路況的多種振動，保障安全指標不會降低，因此，電池單體、模組、電池包以及電氣連接需要設計足夠的電氣間隙和爬電距離，不僅要保證電池系統絕緣材料結構在振動環境下的機械穩定性，即使其在長期使用出現一定結構變化后，仍能確保不會絕緣失效。

新標準GB 38031中的振動試驗的要求只涉及安全，不涉及性能特性和功能特性等與可靠性相關的指標，固不能將新標準中的振動試驗完全取代與動力電池可靠性考核所涉及的全部振動試驗。

2 送樣要求和試驗對象

電池包的振動試驗不是單純將樣品安裝在振動臺臺面上的裸機振動試驗，試驗過程需要狀態監測，離不開電池包配套附設件的連接和調試等流程，正如標準GB 38031的第6.1條所述，電池廠商在委托第三方機構檢測送樣時需要提供電池包或電池系統交付需要包括必要的操作文件以及和測試設備相連所需的接口部件，如電插器、插頭、冷卻系統接口，以及產品結構示意圖等，明確試驗所需的重要參數如安全工作限值、充放電截止條件和電壓銳變閾值等，確保預處理和振動試驗時樣品能正常運作。

標準GB 38031的第8.2.1.1條明確規定，振動試驗的對象是電池包或電池系統，不是電池單體。

3 振前樣品的預處理要求

在振動試驗前，電池包或系統樣品需要先進行預處理循環，以確保在振動試驗時樣品的性能處于激活或穩定的狀態，在此提出，預處理失敗（如電池容量達不到要求）的樣品是不能做振動試驗的，作為不合格樣品返還電池制造商。

按電化學原理，動力電池的激活是指將電池內部電解物質的電化學活性“喚醒”，電池久而不用，其內部電解物質活性往往會暫時性降低或暫時性停止，激活后電池又會處于正常狀態。在動力電池中，鋰離子電池占了大部分，鋰離子電池在長時間擱置，長期大電流充放電，或長時間非滿電狀態使用情況下，電極活性材料在預處理的首次滿充滿放中，容易出現容量較低的現象。因此需要進行標準充放電進行激活。且由于鋰離子電池真實荷電狀態受多種因素的影響，如在較低溫度下，低溫導致電池活性降低，動力電池陰極和陽極電極活性材料以及電解液等離子擴散阻抗增加，電池相對正常溫度下荷電狀態會較低（同一開路電壓下）。如使用較高或較低的充放電電流調節電池荷電狀態，也會因阻抗分壓較大或過小而導致荷電狀態不準。為了保證電池樣品在測試前狀態的均一性，需要對動力電池進行標準化的預處理，使電池的狀態穩定。

振動試驗的電池樣品預處理按GB 38031標準第7.2.2條進行，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，不充不放的靜止時間一般是30 min，充放電截止條件由電池制造商規定，或者靜止時間也按廠商規定。樣品預處理過程中，避免任何過充過放的操作，以免影響振動試驗后的測試參數對比。

預處理通過的判定：

①樣品連續2次的放電容量變化均不高于額定容量的3 %，預處理成功。

②樣品連續5次的充放電循環都正常，預處理成功。

整個預處理的步驟見圖1樣品預處理流程示意圖。

振動試驗對電池的化學物質的活性有破壞作用，驗證其破壞作用，就必須在振動前先激活動力電池并確認振動前電池性能穩定，即先做樣品的預處理，以便做試驗前后的測試數據對比，綜合評估電池的耐振能力。

圖1 樣品預處理流程示意圖

4 試驗夾具和樣品固定方式

電池的振動試驗涉及到振動能量的傳播，這涉及到能量的傳播方向或路徑，試驗樣品安裝應符合GB/T 2423.43的要求，如果樣品安裝方式不當，往往會改變振動能量的真實傳播，最終影響到試驗結果。

電池振動試驗的能量傳播方向和路徑見圖2振動能量傳播示意圖。

從圖2的傳播示意圖可以看出，試驗夾具和電池包固定板（支撐腳）對能量傳遞鏈條起著關鍵的作用。

動力電池振動能量傳播的第一切入點是電池包的固定板，在作螺釘固定時有必要模擬裝車的實況，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 振動能量傳播示意圖

圖3 電池包的支撐腳

圖4 振動試驗過程監控示意圖

對于試驗夾具，必須確保其一階固有頻率必須遠高于試驗頻率的上限，例如GB 38031振動的頻率上限是200 Hz，那么夾具在試驗前必須先做頻率響應檢查，如果其三個軸向的一階固有頻率均遠高于200 Hz，試驗夾具才允許使用。

電池包固定板(外殼支撐腳)是電池樣品的振動應力傳輸路徑的最先導入點，試驗樣品的與振動臺面耦合安裝的固定位置和固定點數必須符合裝車狀況，或試驗樣品與夾具耦合安裝的固定位置和固定點數必須符合裝車狀況。

GB 38031中的振動試驗要求都引用了方法標準GB/T 2423.10（正弦）和GB 2423.56（隨機），因此在做動力電池的振動試驗前，先做頻響檢查，振動試驗后再做頻響檢查，如果前后對應頻響數據變化較大，就意味著動力電池結構的固有頻率發生明顯的向下漂移，這說明電池結構的剛度發生了較大幅度的降低，結構剛度也會影響動力電池的安全。或者說對頻響數據有可疑之處，企業應盡早進行摸底和驗證試驗，在產品設計階段及時進行調整。

5 試驗監控儀器的準備

GB 38031標準中的振動試驗過程，動力電池是有一定荷電狀態SOC，不能排除電壓（包括電池單體）會出現異常，即振動試驗期間發生電壓銳變，因此有必要對動力電池進行電壓實時監控。另外，在試驗過程中，不能排除包括電池單體在內的出現熱失控，同理，也有必要對動力電池進行溫度實時監控。振動試驗前就應該準備好電壓和溫度等監控裝置，如發生廠商規定量值的電壓銳變，就應停止試驗，意味著振動試驗的失敗。

GB 38031的第6.2條對監控測量儀器提出了準確度的要求，振動試驗前應該確認，電壓測量裝置的準確度不低于滿篇刻度的±0.5 %，溫度測量裝置的準確度不低于±0.5 ℃。

電池的振動試驗有振動能量的傳播，振動試驗還是破壞性試驗，不排除試驗過程出現熱失控而發生火災，因此，振動試驗過程有必要在振動試驗臺附近配置滅火器具。

振動試驗前，監控流程布局要求應按圖4振動試驗過程監控示意圖。

6 振動試驗順序特點

在GB 38031標準的第8.2條中，規定汽車行駛方向為x軸向，即前后方向就是x軸向，左右方向為y方向，上下方向（垂直方向）就是z軸向。

振動試驗前，根據電池的裝車實況，振動方向的布局可參考圖5電池包的振動試驗過程監控示意圖。

圖5 電池包的振動試驗過程監控示意圖

圖6 振動試驗的一般順序示意

該標準的振動試驗推薦的試驗順序為先垂直方向后水平方向，先做隨機振動后做正弦振動。以重型電動汽車為例，一般的順序途徑如圖6振動試驗的一般順序示意。

振動試驗順序可根據實際情況，做出合理調整，該標準的第8.2.1.4條中提到：檢測機構也可自行選擇（試驗）順序，以縮短（軸向）轉換時間。圖7是電池包在垂直方向的振動試驗實況圖。

7 振動量級的施加與動力電池對應的車輛類型有關

在GB 38031標準的第8.2.1條中，電池包產品對應的振動試驗的測試條件按輕重車型（參照GB/T 15089）明確劃分為兩種：

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

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

在此有必要提醒，電池包產品廠商應該在提供的產品技術資料中明確其產品的適用車型，以便后續的振動試驗測試條件與實際電池包產品裝車狀況相符合。

輕型電動汽車和重型電動汽車配對的動力電池的振動試驗條件從隨機加速度譜密度和隨機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不同車型的動力電池振動試驗參數對比圖。

8 振動試驗的環境條件明確：溫度、濕度、大氣壓

在GB 38031標準的第6.1.1條中，規定了振動試驗的環境條件，也就是試驗室的環境條件，環境條件涵蓋了環境溫度、環境濕度和大氣壓力等要求，具體參數如下：

圖7 電池包的振動試驗實況圖

圖8 不同車型的動力電池振動試驗參數對比圖

環境溫度：（22±5）℃，即溫度在17～27 ℃范圍。

相對濕度：在10～90 %RH范圍。

大氣壓力：在86 ～106 kPa范圍。

上述振動試驗的環境條件，也就是試驗室的環境條件，因此，振動試驗區域除了要有環境溫濕度儀器監控外，還要有大氣壓力儀表等儀器，確認試驗環境條件符合GB 38031的規定，確保振動試驗的環境條件符合再現性的要求。

表1 電池振動試驗特性對比

9 GB 38031標準與UN 38.3標準的振動試驗條件對比

GB 38031標準涉及的主要是隨機振動試驗（有少量正弦振動），UN 38.3標準涉及是正弦振動試驗。

GB 38031標準中的振動試驗是居于使用環境，樣品固定條件與實際的電池裝車狀況相符合；而UN 38.3標準中的正弦掃頻振動是居于電池運輸環境，樣品固定條件比較寬松，或者是一般的剛性固定。

正弦振動試驗與隨機振動試驗即使是在加速度、頻率范圍和對應的加速度數學量值相等的條件下，但兩者試驗也是不能等效的。正弦振動試驗與隨機振動試驗的試驗方式或者說考核產品的角度，兩者是不能互相代替的。

掃頻正弦振動試驗可以觀察到產品結構的剛度變化過程及量值，在適當的儀器幫助下可以直接檢測到電池試樣的動態剛度，并判定因共振疲勞破壞的頻率漂移狀況，動態剛度與靜態剛度不同，動態剛度是振動頻率的函數，動態剛度是車輛及其組件的機械強度和機械穩定性的一個重要指標，如果動力電池的動態剛度足夠，那么其機械強度和機械穩定性就有保障。

按道路隨機路譜的隨機振動試驗對車輛運行路況模擬真實度比較高，尤其是車輛較真實振動狀態下電池產品工作狀態的監控，更能較真實地模擬電池工作的耐振能力及安全特性。電池振動試驗特性對比見表1。

10 結束語

電動汽車能否徹底取代傳統的燃油汽車，取決于動力電池技術的突破，動力電池的安全問題是首要問題。振動環境貫穿在電動汽車整個使用過程中，復雜的路況振動會對動力電池的安全性產生不利影響。在掌握正確的試驗方法下，通過標準GB 38031-2020的模擬路況振動試驗，可以驗證動力電池產品的安全性是否符合規定要求，明確產品結構設計是否達到基本的機械強度。