輕型消費(fèi)級無人機(jī)軟包鋰離子電池在機(jī)械強(qiáng)沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)特性

關(guān)鍵詞：軟包鋰離子電池；高速沖擊；機(jī)械載荷；變形模式；著火風(fēng)險(xiǎn)

低空經(jīng)濟(jì)作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，正逐漸成為我國新質(zhì)生產(chǎn)力的代表，其中民用無人機(jī)是低空經(jīng)濟(jì)的先行者。近些年涌現(xiàn)出了一批無人機(jī)全球龍頭企業(yè)，使得我國具備了低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的全球競爭優(yōu)勢。無人機(jī)中，以空機(jī)質(zhì)量不超過4kg、最大起飛質(zhì)量不超過7kg、最大平飛速度不超過100km/h的輕型消費(fèi)級無人機(jī)占據(jù)了民用無人機(jī)市場顯著份額，輕型消費(fèi)級無人機(jī)在個(gè)人娛樂、安防等領(lǐng)域的成功應(yīng)用進(jìn)一步促進(jìn)了其蓬勃發(fā)展[1-3]。

盡管民用無人機(jī)給諸多行業(yè)帶來了便利，但由于其飛行高度低、速度快和上手門檻低等特點(diǎn)，因此也有可能帶來不可忽視的公共安全風(fēng)險(xiǎn)。特別是輕型消費(fèi)級無人機(jī)，大多應(yīng)用于城市環(huán)境，其應(yīng)用場景通常人口密度較大，可能會產(chǎn)生較高的人員和財(cái)產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。郭亞周等[7]研究發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)在高能量碰撞沖擊場景下，其碰撞后果的嚴(yán)重性主要由電池、電機(jī)、攝像頭等集中質(zhì)量決定，而其中電池所造成的安全風(fēng)險(xiǎn)最高。幾乎所有的輕型消費(fèi)級無人機(jī)動力能源系統(tǒng)均為鋰離子電池，該電池雖然具有體積小、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，但是在使用中其安全性問題較突出，主要是由熱沖擊、短路、外部機(jī)械載荷等因素造成熱失控而引起的燃燒爆炸等。當(dāng)鋰離子電池受到外部機(jī)械因素影響時(shí)，破損部位從內(nèi)部易發(fā)生短路，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)致熱失控[8-10]。諸如無人機(jī)在自身運(yùn)輸過程中，可能受到外部的擠壓和碰撞，引起電池失效發(fā)生熱失控，這種場景下電池所受的機(jī)械載荷多為面外的擠壓載荷。另外，無人機(jī)在自身操作飛行過程中也有可能發(fā)生碰撞事故，碰撞事故可分為2類：第1類是無人機(jī)飛行過程中在航向方向上與其他物體發(fā)生撞擊，根據(jù)目前主流輕型消費(fèi)級無人機(jī)鋰離子電池的安裝方式可知，這類場景下電池所受的機(jī)械載荷多為面內(nèi)的沖擊擠壓載荷；第2類是無人機(jī)跌落與地面發(fā)生碰撞，這類場景下電池既可能受到面外載荷也可能受到面內(nèi)載荷。以上無人機(jī)鋰離子電池碰撞事故均有可能造成嚴(yán)重后果，因此，研究鋰離子電池的安全問題，結(jié)合無人機(jī)應(yīng)用場景既要研究其在面外載荷下的沖擊安全性又要研究面內(nèi)載荷的影響。

目前，輕型消費(fèi)級無人機(jī)常用的電動能源系統(tǒng)為軟包鋰離子電池模組，學(xué)者們對軟包鋰離子電池的機(jī)械沖擊安全性開展了廣泛研究。Jia等[11]通過開展壓縮實(shí)驗(yàn)和落錘實(shí)驗(yàn)，研究了軟包鋰離子電池在動態(tài)載荷作用下的力學(xué)機(jī)械與電化學(xué)耦合失效行為，發(fā)現(xiàn)電池組件的機(jī)械變形和材料失效共同決定了電池在受到?jīng)_擊后的響應(yīng)模式。Zhu等[12]開展了完全約束下的面內(nèi)壓縮、填充泡沫邊界面內(nèi)壓縮、圓形沖頭面內(nèi)壓痕等3種不同類型的實(shí)驗(yàn)，考察了鋰離子電池在平面壓縮下的變形模式，定量分析了電池受到的載荷及其應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，闡釋了電池在平面壓縮下的漸進(jìn)折疊機(jī)制。Pan等[13]借助實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析方法，探討了軟包鋰離子電池在沖擊載荷下的變形破壞和失效過程，建立了精細(xì)化的鋰離子電池有限元模型，研究了沖擊載荷下鋰離子電池內(nèi)部的短路機(jī)理，分析了電池單元內(nèi)部材料的動態(tài)變形過程。Zhu等[14]建立了軟包鋰離子電池的精細(xì)化有限元模型，通過對集中典型載荷工況的數(shù)值模擬，摸清了鋰離子電池在受到外部載荷時(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形形式和失效順序，發(fā)現(xiàn)電池單體的破壞過程分為2個(gè)典型的階段。Chen等[15]利用落錘試驗(yàn)機(jī)，分別采用圓形壓頭和平形壓頭開展實(shí)驗(yàn)，比較了這2種不同形狀的壓頭對軟包鋰離子電池沖擊損傷的差異性，討論了加載速度和電池充電狀態(tài)對電池性能的影響。Zhang等[16]研究了18650型圓柱形鋰離子電池外殼在不同加載方式下的塑性變形和斷裂形式，發(fā)現(xiàn)在某些加載方式下，電池外殼的變形模式與電池整體的變形模式很相似，說明外殼在某些加載方式下起到了主要抵抗變形的作用。而Wierzbicki等[17]在對18650型圓柱形單體鋰離子電池進(jìn)行局部沖擊破壞時(shí)，發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)芯起主要的承載作用，電池外殼和端帽只起輔助作用。Sahraei等[18]建立了圓柱形鋰離子電池模型，對電池包的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)在沖擊過程中電池最容易受到損壞的部位是電池之間的連接處。Li等[19-21]和Zhou等[22]研究了鋰離子電池的隔膜材料和電池的各電極材料在動態(tài)加載下的應(yīng)變率損傷效應(yīng)及失效行為，同時(shí)基于多場分析方法，研究了鋰離子電池在機(jī)械濫用條件下的內(nèi)短路和熱失控行為機(jī)理及其機(jī)械-電化學(xué)耦合損傷失效情況，解釋了機(jī)械載荷作用下電池的電化學(xué)退化機(jī)制。2017年，Olivares[23]指出，無人機(jī)電池作為不穩(wěn)定部件，在受到飛機(jī)撞擊后存在極大的爆炸或燃燒風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也劃分了鋰離子電池3層級的著火風(fēng)險(xiǎn)等級。郭亞周等[24]基于落錘沖擊實(shí)驗(yàn)方法，開展了無人機(jī)用軟包鋰離子電池在沖擊載荷下的實(shí)驗(yàn)測試，對比了不同電量電池單體的沖擊安全性，分析了不同沖擊速度/能量下電池內(nèi)部電壓及溫度的變化。Meng等[25]研究了飛機(jī)前緣結(jié)構(gòu)與無人機(jī)之間的碰撞安全性，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)前緣結(jié)構(gòu)在與無人機(jī)撞擊時(shí)，無人機(jī)鋰離子電池作為潛在的著火危險(xiǎn)源，對飛機(jī)的飛行安全造成嚴(yán)重威脅。劉新華等[26]開展了落錘沖擊無人機(jī)鋰離子電池的實(shí)驗(yàn)，研究了不同落錘能量下鋰離子電池?fù)p傷的嚴(yán)重性，初步揭示了機(jī)械沖擊載荷誘發(fā)鋰離子電池包熱失控的電化學(xué)響應(yīng)規(guī)律。

綜上所述，輕型消費(fèi)級無人機(jī)運(yùn)行場景復(fù)雜，特別是當(dāng)無人機(jī)與地面車輛或其他飛行器高速撞擊時(shí)，瞬時(shí)的高能量沖擊會導(dǎo)致鋰離子電池極有可能發(fā)生爆炸或燃燒。當(dāng)前，有關(guān)軟包鋰離子電池動態(tài)沖擊的研究更多的是基于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法開展的準(zhǔn)靜態(tài)或低速、低能量沖擊測試與分析，針對無人機(jī)碰撞場景下的高速、高能量沖擊研究則較少。基于此，本文中利用落錘沖擊裝置和高速氣炮，對軟包鋰離子電池開展面內(nèi)和面外高能沖擊實(shí)驗(yàn)，研究不同沖擊載荷形式下鋰離子電池的碰撞響應(yīng)，分析不同電量的鋰離子電池在高速沖擊下的著火特性，基于高速攝像系統(tǒng)觀察軟包鋰離子電池在高速撞擊下的變形響應(yīng)，探究典型無人機(jī)軟包鋰離子電池在不同撞擊速度下的響應(yīng)差異性，以期為軟包鋰離子電池的安全防護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1試件

選用某款輕型消費(fèi)級無人機(jī)鋰離子電池為試件，如圖1所示，該鋰離子電池包括聚碳酸酯塑料外殼、4個(gè)袋裝軟包鋰離子電池單體串聯(lián)而成的電池組以及內(nèi)部一些其他電路板等部件，其中軟包電池單體主要由多種材料復(fù)合軋制而成的堆疊結(jié)構(gòu)、電解液以及鋁制復(fù)合外包膜組成，堆疊結(jié)構(gòu)主要由陽極、陰極以及隔膜組成，陰極由涂覆有活性材料的鋁箔構(gòu)成，陽極由涂覆有石墨的銅箔構(gòu)成，隔膜是微孔聚丙烯材料。所選的電池試件基本性能如表1所示。如圖1（a）中坐標(biāo)系所示，電池采用面內(nèi)和面外2種加載方式，其中載荷在x方向上加載傳遞則為面內(nèi)加載方式，在z方向上加載傳遞則為面外加載方式。

2實(shí)驗(yàn)裝置

2.1落錘沖擊實(shí)驗(yàn)裝置

采用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)裝置，對軟包鋰離子電池開展面內(nèi)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，落錘沖擊實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，g為重力加速度。實(shí)驗(yàn)中用到的主要設(shè)備有鋰離子電池實(shí)驗(yàn)件、落錘機(jī)構(gòu)、電磁鎖、測力平臺（載荷傳感器）、高速攝像機(jī)等，其中落錘機(jī)構(gòu)包括吊籃、配重塊和壓頭，吊籃和壓頭總質(zhì)量為21.17kg，配重塊質(zhì)量為10kg。

鋰離子電池面內(nèi)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)的測試項(xiàng)目主要包括沖擊載荷、鋰離子電池宏觀變形響應(yīng)、著火爆炸響應(yīng)等。沖擊載荷由測力平臺的載荷傳感器測量，傳感器采樣率為10kHz；沖擊能量和沖擊速度由落錘機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和落錘機(jī)構(gòu)的初始下落高度決定，采用保持落錘機(jī)構(gòu)質(zhì)量不變、改變落錘機(jī)構(gòu)下落高度的方式來調(diào)整沖擊能量。實(shí)驗(yàn)過程中，將鋰離子電池試件放置在測力平臺上，并調(diào)整位置使壓頭對準(zhǔn)鋰離子電池中間位置，再由電磁起吊裝置將落錘機(jī)構(gòu)提升至目標(biāo)高度。各個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢后，由電磁鎖釋放落錘機(jī)構(gòu)，自由落體跌落撞擊電池實(shí)驗(yàn)件，同步觸發(fā)各測試子系統(tǒng)，并在落錘完全靜止后結(jié)束本次實(shí)驗(yàn)。面外沖擊實(shí)驗(yàn)中高速攝像機(jī)設(shè)定拍攝頻率為2000Hz，實(shí)驗(yàn)測試工況如表2所示。

2.2高速氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)裝置

基于高速氣炮裝置開展軟包鋰離子電池面內(nèi)沖擊實(shí)驗(yàn)，高速氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。高速氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)裝置主要由儲氣罐、發(fā)射裝置、控制系統(tǒng)、激光測速系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄儀等設(shè)備構(gòu)成。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)過程中鋰離子電池放置在經(jīng)過設(shè)計(jì)制備的彈托內(nèi)，鋰離子電池速度由儲氣罐內(nèi)的氣壓控制，由發(fā)射裝置發(fā)射鋰離子電池，鋰離子電池發(fā)射后撞擊在鋁板上。鋁板被安裝在電池防爆燃防護(hù)箱內(nèi)，在鋁板背部撞擊點(diǎn)附近徑向和橫向共布置6個(gè)應(yīng)變片（#1～#6），如圖5所示。面內(nèi)沖擊實(shí)驗(yàn)中，高速攝像機(jī)設(shè)定拍攝頻率為2000Hz，實(shí)驗(yàn)測試工況如表3所示。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1面內(nèi)沖擊與面外沖擊變形響應(yīng)的差異

為研究鋰離子電池面內(nèi)沖擊和面外沖擊的差異，選取充電狀態(tài)為100%的帶外殼整顆電池分別開展了落錘沖擊和氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)，其中氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)速度為37m/s，沖擊對象為2.0mm厚的鋁板，折合沖擊能量為201J，落錘沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)芰吭O(shè)定為200J，兩者沖擊能量可近似看作一致。

對于鋰離子電池面外沖擊，鋰離子電池受落錘面外沖擊變形響應(yīng)過程見圖6，面內(nèi)氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)響應(yīng)過程見圖7，可以看出，當(dāng)沖擊能量為200J時(shí)，面外與面內(nèi)沖擊響應(yīng)時(shí)間基本一致，均在10ms左右，兩者撞擊響應(yīng)過程則具有一定的差異性。

撞擊初始階段，面內(nèi)沖擊落錘沖頭接觸鋰離子電池上半部殼體，面外氣炮沖擊鋰離子電池頭部開始接觸被撞擊鋁板；撞擊2.5ms時(shí)，面外落錘撞擊鋰離子電池上部外殼，上半部外殼與下半部外殼迅速脫扣，上半部電池殼兩端開始發(fā)生翹曲。與面外落錘沖擊相比，該時(shí)刻下面內(nèi)氣炮沖擊下鋰離子電池撞擊鋁板，鋁板被撞擊部位迅速發(fā)生塑性變形后形成凹坑，鋁電池在撞擊瞬間前端上下外殼脫扣，上下殼同時(shí)發(fā)生塑性變形，并且相互之間開始從上下相反方向做分離運(yùn)動。

撞擊5.0ms時(shí)，面外沖擊落錘繼續(xù)向下運(yùn)動，鋰離子電池上半部外殼在受到撞擊位置發(fā)生翹曲開裂破壞，從落錘下降位置可以看出，鋰離子電池內(nèi)部4個(gè)電池單體最上部分單體由于落錘沖擊擠壓作用開始發(fā)生破壞，落錘沖擊期間有粉末物質(zhì)濺出。該時(shí)刻下，面內(nèi)氣炮沖擊鋰離子電池持續(xù)撞擊鋁板，被撞擊鋁板變形量進(jìn)一步變大，鋰離子電池上半部外殼與下半部外殼在沖擊方向上持續(xù)脫扣，上半部外殼向上翹曲發(fā)生塑性變形，此時(shí)可以看到鋰離子電池內(nèi)部單體，由于鋰離子電池前端有連接4個(gè)單體的電路板，同時(shí)電路板與前部外殼之間存有空隙，因此，此時(shí)雖然外殼發(fā)生明顯變形，但是電池單體并未與面板相撞。

撞擊7.5ms時(shí)，面外沖擊落錘能量仍未被完全吸收，持續(xù)向下撞擊，此時(shí)電池外殼斷裂長度增大，電池外殼繼續(xù)發(fā)生翹曲，此時(shí)最上層電池單體完全被擠壓破壞，落錘開始與第2層電池單體接觸，沖擊過程中持續(xù)有粉末物質(zhì)濺出。該時(shí)刻下，面內(nèi)氣炮沖擊鋰離子電池變形繼續(xù)變大，上半部外殼與下半部外殼開口增大，此時(shí)外殼與電池內(nèi)部電路板之間空隙被壓實(shí)，4個(gè)單體開始在面內(nèi)方向上撞擊鋁板。

撞擊10.0ms時(shí)，面內(nèi)沖擊落錘達(dá)到最低點(diǎn)位置，鋰離子電池上半部外殼達(dá)到最大變形，外殼兩側(cè)幾乎完全斷裂，上半部分外殼發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形，此時(shí)第2層電池單體逐漸開始發(fā)生破壞，落錘沖擊基本結(jié)束，錘頭開始發(fā)生反彈。此時(shí)面內(nèi)沖擊氣炮的能量被完全吸收，鋰離子電池發(fā)生最大程度變形，上半部外殼與下半部外殼完全脫扣，開始逐漸分離，此時(shí)4個(gè)電池單體發(fā)生了部分?jǐn)D壓變形，但總體變形量不大。

圖8（a）給出了100%充電狀態(tài)電池在200J能量沖擊后的整體形貌，從圖6（e）可知，當(dāng)落錘沖擊發(fā)生10ms后，電池單體內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，開始有煙霧從電池內(nèi)部冒出，隨后電池內(nèi)部反應(yīng)愈發(fā)劇烈，逐漸有明火產(chǎn)生，火花攜帶大量粉末狀物質(zhì)從內(nèi)部噴出后電池開始發(fā)生劇烈燃燒，最后完全燒毀。

圖8（b）給出了面內(nèi)氣炮沖擊后電池的形貌，可以看出，無人機(jī)鋰離子電池上半部殼體受撞擊后與下半部殼體完全分離，下半部殼體發(fā)生彈性變形后恢復(fù)，電池包上部2顆電池單體由于撞擊作用的影響與下部電池單體脫粘，電池單體與電路板之間的連接尚完好，電池單體的撞擊端發(fā)生明顯變形，但是整顆電池整體完好，電池有輕微發(fā)熱，被撞鋁板變形相對較小，鋁板結(jié)構(gòu)上沒有殘留黑色物質(zhì)，電池在撞擊過程中沒有物質(zhì)泄露。

綜上所述，當(dāng)鋰離子電池分別承受面內(nèi)沖擊和面外沖擊時(shí)，面外落錘沖擊時(shí)整個(gè)過程中撞擊端外殼卡扣、自身塑性變形以及電池單體的擠壓變形作為主要的能量吸收單元，能量大部分被撞擊端電池單體所吸收，電池單體在外部鋁封皮破損后，電池電解液從內(nèi)部流出，短時(shí)間內(nèi)電池逐漸冒煙，熱量在電池內(nèi)部積聚，造成電池內(nèi)部熱量逐步升高，發(fā)生熱失穩(wěn)后活性材料燃燒，進(jìn)而電池發(fā)生爆燃；面內(nèi)氣炮沖擊時(shí)，由于一般在面內(nèi)方向上電池單體連接電路板與電池外殼之間有一定的空間，因此當(dāng)電池在高速撞擊到被撞物時(shí)，大部分能量都被外殼變形所吸收，而正是因?yàn)殡姵貑误w與外殼之間間距的存在，使得沖擊能量能夠獲得較大緩沖，緩沖后4個(gè)電池單體同時(shí)承受面內(nèi)載荷，盡管有一定的擠壓，但是并未發(fā)生著火。因此，當(dāng)鋰離子電池承受面外沖擊載荷時(shí)，著火風(fēng)險(xiǎn)高于面內(nèi)沖擊。

3.2電量對鋰離子電池力學(xué)響應(yīng)特性的影響

選取3種不同充電狀態(tài)的整顆電池分別開展了落錘沖擊實(shí)驗(yàn)和氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)，電池的充電狀態(tài)分別為0%、50%和100%，落錘能量均為200J，氣炮沖擊速度為85m/s，折算沖擊能量為1062J。面外落錘沖擊場景下不同電量電池撞擊后的變形和失效響應(yīng)如圖9所示，面內(nèi)氣炮沖擊場景下不同電量電池撞擊后的變形和失效響應(yīng)如圖10所示。

在沖擊能量為200J的面外落錘沖擊實(shí)驗(yàn)中，電量為0%的電池并未發(fā)生爆炸、燃燒等相應(yīng)的電化學(xué)行為，僅伴隨有刺鼻性氣味；電量為50%的電池則在撞擊后迅速冒煙，但是后續(xù)并未造成電池著火；電量為100%的電池在受撞擊后快速冒煙并伴有明火出現(xiàn)，熱量進(jìn)一步積聚后，內(nèi)部活性材料以火苗狀被噴出電池外，進(jìn)而導(dǎo)致電池迅速著火，電池著火之后內(nèi)部4個(gè)電池單體以及電池上下殼均被焚毀，損壞極為嚴(yán)重。不同電量電池在200J能量落錘沖擊下的沖擊力隨時(shí)間的變化如圖11所示。從載荷響應(yīng)模式上來看，整顆電池在受到落錘撞擊后，撞擊載荷主要呈現(xiàn)“駝峰式”響應(yīng)，這是由于整顆電池不僅包括電池單體，同時(shí)還包括電池殼體。當(dāng)落錘接觸電池上殼時(shí)，撞擊載荷開始響應(yīng)，此時(shí)逐漸形成第1個(gè)撞擊載荷峰值，隨著落錘繼續(xù)向下運(yùn)動，電池上殼自身結(jié)構(gòu)以及與下殼之間的連接關(guān)系被破壞，電池上殼失去承載能力，導(dǎo)致了撞擊載荷下降，隨后落錘繼續(xù)撞擊至內(nèi)部堆疊的電池單體，進(jìn)而形成第2個(gè)撞擊載荷峰值，并最終呈現(xiàn)出“駝峰式”載荷響應(yīng)狀態(tài)。不同電量的電池在受到相同能量的撞擊后，其撞擊力的變化趨勢及其峰值都具有較好的一致性。

在85m/s沖擊速度的面內(nèi)氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)中，電池芯發(fā)生了巨大的變形，但是并沒有出現(xiàn)明顯的燃燒現(xiàn)象。由于鋁板較厚，鋁板未產(chǎn)生明顯肉眼可見的變形，但是鋁板上有大量殘留的黑色物質(zhì)，說明電池在碰撞的時(shí)候有物質(zhì)泄漏，電池外殼在撞擊后呈現(xiàn)花瓣式分裂破壞，吸收大量能量，電量為0%的電池內(nèi)部幾乎沒有活性化學(xué)物質(zhì)，所以電池內(nèi)部并沒有發(fā)生短路，電池也沒有產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象；電量為50%的電池在沖擊過程中的響應(yīng)則與電量為0%的電池類似，電池殼體在撞擊過程中被完全損毀，但是由于電池電量不足，電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)不足以使電池發(fā)生燃燒反應(yīng)，但電池單體表面的溫度明顯升高，電池整體處于電化學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)；電量為100%的電池在撞擊過程中被破壞成幾片后迅速產(chǎn)生冒煙著火的現(xiàn)象，用滅火毯掩蓋但并未降低火勢，電池仍劇烈燃燒，燃燒后的電池呈黑色焦炭狀。不同電量的電池撞擊鋁板后典型部位的應(yīng)變曲線對比如圖12所示，可以看出，3種電量的電池在相同撞擊工況下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)基本一致。

綜上所述，鋰離子電池電量與其碰撞著火特性具有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，鋰離子電池本身的力學(xué)響應(yīng)受自身材料及結(jié)構(gòu)特征影響，電池電量不會影響電池的機(jī)械力學(xué)碰撞響應(yīng)情況。本文中所采用的50%電量鋰離子電池在以85m/s速度撞擊5.0mm厚鋁板時(shí)發(fā)生起火爆炸的概率較低。

3.3沖擊速度對鋰離子電池著火特性的影響

選取3種不同沖擊速度分別進(jìn)行了100%電量電池氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)，沖擊速度分別為50、60和85m/s，電池在不同速度氣炮沖擊下的碰撞響應(yīng)情況如圖13所示，不同速度氣炮沖擊下鋁板的碰撞響應(yīng)情況如圖14所示。

從圖13可以看出，當(dāng)電池以50m/s的速度撞擊鋁板時(shí)，電池整體在撞擊后首先發(fā)生上下外殼脫扣，上層電池單體脫粘飛出，產(chǎn)生較大變形，電池外殼在受撞擊后發(fā)生塑性變形，電池外形整體保持相對完好，并未產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。當(dāng)電池以60m/s的速度撞擊鋁板時(shí)，電池首先分裂成幾個(gè)部分，發(fā)生嚴(yán)重破壞后電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)發(fā)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而急速冒煙起火并伴之有爆燃，電池外殼少部分被燒毀，大量電池芯裸露在外，底部電池單體尚能看出完整電池形態(tài)。當(dāng)電池以85m/s的速度撞擊鋁板時(shí)，電池解體破碎后迅速燃燒，4顆電池單體均著火嚴(yán)重，電池單體外裹殼體全部被燒毀。

從圖14可以看出，當(dāng)電池以50m/s的速度撞擊2.0mm厚的鋁板時(shí)，鋁板上并未有黑色物質(zhì)，表明電池雖然在撞擊后發(fā)生解體，但是電池單體外部的鋁包膜并未受到損壞，電池整體相對完好，且鋁板凹坑水平最大寬度為69.0mm，鋁板變形相對較小；當(dāng)電池以60m/s的速度撞擊鋁板時(shí)，鋁板上殘留有黑色電解物質(zhì)，鋁板變形區(qū)域面積進(jìn)一步增大，撞擊中心凹坑水平最大寬度為144.0mm；當(dāng)電池以85m/s的速度撞擊鋁板時(shí)，鋁板上殘留更多黑色電解物質(zhì)，電池單體在撞擊過程中即發(fā)生破裂，鋁板在固支邊范圍內(nèi)發(fā)生整體塑性變形，整塊鋁板被撞擊成拱狀，撞擊中心凹坑水平最大寬度進(jìn)一步增大為170.0mm。

2.0mm厚的鋁板受不同速度的電池撞擊后，應(yīng)變片#1測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖15所示。可以看出，當(dāng)電池撞擊2.0mm厚的鋁板后，85m/s撞擊下應(yīng)變片#1測得的應(yīng)變峰值為3302.7，60m/s撞擊下對應(yīng)應(yīng)變片位置的應(yīng)變峰值為3063.3，50m/s撞擊下對應(yīng)變片位置的應(yīng)變峰值為1458.2。由以上分析可以看出，在鋰離子電池氣炮沖擊實(shí)驗(yàn)中，60m/s速度撞擊能量是50m/s速度撞擊的1.44倍，撞擊結(jié)果顯示，60m/s速度撞擊凹坑尺寸是50m/s撞擊工況的2.09倍，典型部位應(yīng)變是50m/s撞擊工況的2.10倍；85m/s速度撞擊能量是50m/s速度撞擊的2.89倍，撞擊結(jié)果顯示，85m/s速度撞擊凹坑水平最大寬度是50m/s撞擊工況的2.46倍，典型部位應(yīng)變則是50m/s撞擊工況的2.26倍。除此之外，當(dāng)電池電量為100%時(shí)，本文中所選擇的輕型無人機(jī)鋰離子電池以50m/s撞擊2.0mm厚的鋁板后燃燒風(fēng)險(xiǎn)相對較低。

4結(jié)論

利用落錘沖擊裝置和高速氣炮，開展了軟包鋰離子電池在高能量加載下的面內(nèi)和面外沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了不同沖擊載荷形式下鋰離子電池碰撞響應(yīng)的差異，分析了不同電量鋰離子電池在高速沖擊下的著火特性，基于高速攝像系統(tǒng)觀察了軟包鋰離子電池在高速撞擊下的變形模式，探索了典型無人機(jī)軟包鋰離子電池在不同沖擊速度下的撞擊安全性，得到了如下主要結(jié)論。

（1）鋰離子電池承受面外沖擊載荷時(shí)著火風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于面內(nèi)沖擊，適當(dāng)提高電池外殼的強(qiáng)度及增大外殼與電池單體之間的空間距離能夠降低鋰離子電池受撞擊著火風(fēng)險(xiǎn)。

（2）鋰離子電池碰撞著火特性與其電量具有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，鋰離子電池本身的力學(xué)響應(yīng)主要受自身材料及結(jié)構(gòu)影響，電池電量并不會影響電池的機(jī)械力學(xué)碰撞響應(yīng)。

（3）本文中所采用的鋰離子電池樣本在電池電量為100%時(shí)以50m/s的速度撞擊鋁板以及電池電量為50%以下時(shí)以85m/s速度撞擊鋁板后燃燒風(fēng)險(xiǎn)均相對較低。