郭亞周， 劉小川， 白春玉， 賈璞， 郭斌

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所， 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710065； 2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710049； 3.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 102206)

近幾年，民用無(wú)人機(jī)呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展，逐漸涌現(xiàn)了一大批航拍、物流、植保等多種類多場(chǎng)景交叉應(yīng)用下的無(wú)人機(jī)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)到2025年底，民用無(wú)人機(jī)產(chǎn)值將達(dá)到1 800億元，年增速在25%以上[4]。其中以空機(jī)質(zhì)量不超過(guò)15 kg，最大起飛質(zhì)量不超過(guò)25 kg為代表的民用輕小型無(wú)人機(jī)發(fā)展最為迅速，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，民用輕小型無(wú)人機(jī)占據(jù)民用無(wú)人機(jī)85%以上的市場(chǎng)份額[5]。

輕小型無(wú)人機(jī)作為民用無(wú)人機(jī)中市場(chǎng)占比最大的無(wú)人機(jī)類型，由于其重量輕、速度快、操作門檻低等特點(diǎn)，也最容易發(fā)生安全事故[6]。已有的研究表明，無(wú)人機(jī)在碰撞飛機(jī)、汽車等高速?gòu)?qiáng)沖擊載荷場(chǎng)景下，其碰撞嚴(yán)重性程度很大程度上由無(wú)人機(jī)電池、電機(jī)、攝像頭等集中質(zhì)量塊決定[7-9]，其中以電池安全尤甚。幾乎超過(guò)96%以上的輕小型無(wú)人機(jī)動(dòng)力源都來(lái)自于鋰電池。鋰電池雖然具有高能量密度，較好的經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其在受到碰撞時(shí)所帶來(lái)的熱失穩(wěn)、內(nèi)短路、起落甚至爆炸等嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)也絕對(duì)不容忽視[10-12]。鋰電池作為無(wú)人機(jī)最重要的安全部件通常占據(jù)整個(gè)無(wú)人機(jī)重量的1/3～1/2，且大多數(shù)無(wú)人機(jī)電池都暴露在結(jié)構(gòu)的外部，這便使得在不可避免的碰撞發(fā)生時(shí)，電池將首當(dāng)其沖的受到大部分沖擊載荷的作用，進(jìn)而爆發(fā)嚴(yán)重的電池安全性問(wèn)題。因此無(wú)人機(jī)鋰電池的碰撞安全性問(wèn)題幾乎反映了無(wú)人機(jī)碰撞后果嚴(yán)重性底線，對(duì)于無(wú)人機(jī)鋰電池在沖擊載荷下的失效特性和安全性研究顯得愈發(fā)刻不容緩[13-15]。

目前，雖然世界范圍內(nèi)已經(jīng)開展了較多鋰電池的安全性研究，但是其中絕大多數(shù)都是單純的集中在電化學(xué)角度，對(duì)于因物理載荷撞擊而產(chǎn)生的電池?fù)p傷和失效研究則遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于前者[16]。而事實(shí)上，電池發(fā)生內(nèi)短路、熱失穩(wěn)、起火爆炸等嚴(yán)重后果的起因大都是電池受到了沖擊載荷的作用和影響。結(jié)合這一現(xiàn)狀，Chen等[17]開展了鋰離子電池在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究，分析了錘頭類型、應(yīng)變率、充電狀態(tài)等對(duì)電池機(jī)械性能的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)電池性能與錘頭類型具有較大的關(guān)系，電池結(jié)構(gòu)剛度隨著沖擊速度的增大而增大；Jia等[18]研究了壓縮和沖擊場(chǎng)景下鋰離子電池性能的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電池的機(jī)械變形以及內(nèi)部材料失效共同決定了電池的電化學(xué)變化，沖擊速度越大電池的內(nèi)短路就越嚴(yán)重。Takumi等[19]通過(guò)開發(fā)數(shù)值模型，精確地再現(xiàn)了鋰離子電池的釘扎測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)探針?biāo)俣扰c燃燒風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系比于穿透位置的關(guān)系更密切。Yang等[20]研究了機(jī)械加載下電池內(nèi)部的內(nèi)短路變化，研究結(jié)果表明隨著電池變形量增大，電池內(nèi)部的短路會(huì)逐漸從軟短路逐漸演變?yōu)橛捕搪贰２⑶姨岢隽藨?yīng)對(duì)電池安全問(wèn)題的改進(jìn)措施。Chen等[21]研究了鋰離子電池在多次沖擊下的動(dòng)態(tài)行為，揭示了短路電池失效與沖擊速度，沖擊能量和沖擊時(shí)間之間的關(guān)系，建立了電池故障和壓痕深度之間的定量關(guān)系，找出了電池軟硬短路的沖擊速度邊界。關(guān)于無(wú)人機(jī)電池的研究，大多是與場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)，2017年11月美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)在其官網(wǎng)上發(fā)布了《無(wú)人機(jī)系統(tǒng)空中撞擊嚴(yán)重性評(píng)估最終報(bào)告》，該報(bào)告對(duì)結(jié)合實(shí)際無(wú)人機(jī)與民航客機(jī)的碰撞場(chǎng)景進(jìn)行了無(wú)人機(jī)電池高速撞擊飛機(jī)結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究，并且基于研究結(jié)果和無(wú)人機(jī)電池的碰撞響應(yīng)模式將無(wú)人機(jī)電池的撞擊風(fēng)險(xiǎn)劃分了三級(jí)。Meng等[8]基于經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的仿真分析研究了無(wú)人機(jī)與民航飛機(jī)的碰撞響應(yīng)，結(jié)果表明無(wú)人機(jī)的硬度比動(dòng)能會(huì)產(chǎn)生更大的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電池在撞擊過(guò)程中可能是潛在的著火源。

綜上所述，輕小型無(wú)人機(jī)運(yùn)行多集中在低空和中低空空域內(nèi)，無(wú)人機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景復(fù)雜，極有可能與地面交通工具或其他飛行器發(fā)生碰撞，如果電池在受到碰撞后發(fā)生二次爆炸或起火，將會(huì)造成公共財(cái)產(chǎn)損失。目前雖然有相關(guān)鋰離子電池在動(dòng)態(tài)載荷下的研究，但是對(duì)于電化學(xué)機(jī)理角度研究明顯更多于機(jī)械力學(xué)分析，而機(jī)械力學(xué)角度對(duì)于電池系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)計(jì)具有不可忽視的作用。

由于無(wú)人機(jī)受到碰撞沖擊時(shí)，電池大多情況下受到的是碰撞擠壓載荷，且結(jié)合目前世界范圍內(nèi)對(duì)于鋰電池的安全性研究現(xiàn)狀?，F(xiàn)基于落錘沖擊的試驗(yàn)方法，開展了袋狀鋰離子電池單體在沖擊載荷下的試驗(yàn)測(cè)試，采用高速攝像機(jī)記錄分析了試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)失效、起火失效過(guò)程，來(lái)分析不同沖擊速度/不同沖擊能量下電池內(nèi)部電壓以及溫度變化的變化規(guī)律，對(duì)比研究了不同電量下電池包的破壞模式，初步評(píng)估了無(wú)人機(jī)用鋰電池在受到?jīng)_擊載荷下的安全性能。試驗(yàn)結(jié)果為輕小型無(wú)人機(jī)鋰電池的安全性評(píng)估和安全防護(hù)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件

本試驗(yàn)采用的是中國(guó)某款輕小型無(wú)人機(jī)所用鋰離子電池，如圖1所示，電池外部由塑料殼包裹，內(nèi)部是由四個(gè)袋狀軟包電池串聯(lián)而組成的模組。本文中所用軟包電池主要是由整體電池拆解而得，軟包電池主要由多種材料復(fù)合軋制而成的可卷曲薄片組、電解液以及鋁制復(fù)合外包膜組成。其中可卷曲的薄片主要由陽(yáng)極、陰極以及隔膜組成，其中陽(yáng)極由涂覆有石墨的銅箔構(gòu)成，陰極則由涂覆有活性材料的鋁箔構(gòu)成，隔膜則是微孔聚丙烯材料。所選的電池試驗(yàn)件基本性能信息表1所示。

表1 試驗(yàn)所用電池參數(shù)

圖1 試驗(yàn)用電池Fig.1 Lithium-ion battery of test

1.2 試驗(yàn)裝置

如圖2所示為本次試驗(yàn)中使用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)前通過(guò)夾持釋放鎖將帶有吊籃、配重塊、壓頭的落錘機(jī)構(gòu)提升至目標(biāo)高度H，其中吊籃質(zhì)量為21.17 kg，配重塊為10 kg，壓頭形狀為長(zhǎng)條狀球頭形。在落錘試驗(yàn)中，沖擊能量和沖擊速度是由落錘重量和落錘初始下落高度來(lái)確定的，采用保持落錘重量不變而改變落錘下落高度的方式來(lái)進(jìn)行落錘沖擊能量的調(diào)整。試驗(yàn)過(guò)程中儀器主要用到高速攝像機(jī)、溫度測(cè)量?jī)x、示波器等，由落錘底部傳感器采集試驗(yàn)過(guò)程中的沖擊力；高速攝像主要用來(lái)記錄試驗(yàn)過(guò)程中電池的宏觀變形、失效、著火甚至爆炸的響應(yīng)，高速攝像的拍攝頻率為2 000 Hz；電池溫度主要由粘貼在電池表面的熱電偶進(jìn)行測(cè)量，并由溫度測(cè)量?jī)x以1 Hz的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄；通過(guò)將兩個(gè)電極連接到數(shù)字示波器上，由示波器進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)的采集。文中采用的試驗(yàn)件及試驗(yàn)工況如表2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Test device

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖擊載荷下電池單體的失效及變形

經(jīng)試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，沖擊載荷對(duì)電池單體具有重要影響，且電池單體在受到不同能量沖擊下的變形響應(yīng)和失效模式各不相同，主要呈現(xiàn)三種撞擊響應(yīng)模式。

(1)低能量沖擊模式：如圖3所示，電池單體在受到低能量如10、15 J沖擊后，并未產(chǎn)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，在撞擊后僅在撞擊點(diǎn)部位出現(xiàn)凹坑，且并未出現(xiàn)鼓包、熱失穩(wěn)等現(xiàn)象，電池在受沖擊后仍然能夠繼續(xù)工作。

圖3 低能量沖擊模式電池變形響應(yīng)Fig.3 Deformation responses of lithium-ion battery in weak impact mode

(2)中能量沖擊模式：如圖4所示，電池單體在受到?jīng)_擊能量如20、30 J沖擊后，明顯呈現(xiàn)了與低能量沖擊模式完全不同的變形、失效響應(yīng)。低能量沖擊模式下，電池幾乎并未受到損傷，而中能量沖擊模式則呈現(xiàn)了以下較為明顯的幾個(gè)響應(yīng)特征，即：受壓變形-電池脹包-熱失穩(wěn)冒煙-出現(xiàn)火星-活性材料噴出-電池著火。造成此現(xiàn)象的最主要原因在于受到?jīng)_擊載荷后，電池發(fā)生了極為嚴(yán)重的內(nèi)短路，且此時(shí)電池的受損程度相對(duì)較小，并不足以使電池外包膜發(fā)生大面積破裂，導(dǎo)致電池短路的熱量積聚在電池內(nèi)部無(wú)法及時(shí)排出，使得電池發(fā)生脹包，造成電池內(nèi)部熱量進(jìn)一步升高出現(xiàn)熱失穩(wěn)，電池內(nèi)部的活性材料驟燃，燒破外包膜后顆粒狀的活性材料噴出，電池徹底著火，完全失效。

圖4 中能量沖擊模式電池變形響應(yīng)Fig.4 Deformation responses of lithium-ion battery in strong impact mode

(3)高能量沖擊模式：如圖5所示，電池在受到高沖擊能量如50 J沖擊后，又呈現(xiàn)了與前兩種都不相同的現(xiàn)象。在該場(chǎng)景下，電池在受到?jīng)_擊后發(fā)生了極大程度的彎折變形，電池在沖擊點(diǎn)位置直接發(fā)生了斷裂，電解液從電池內(nèi)部大量流出，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)伴隨有難聞的刺鼻性氣味。沖擊之后，短時(shí)間內(nèi)電池從缺口處開始冒煙，電池出現(xiàn)了熱失穩(wěn)，但是并未出現(xiàn)明火，未發(fā)生電池著火或者爆炸等現(xiàn)象。造成該現(xiàn)象的主要原因是電池在未來(lái)得及膨脹發(fā)熱時(shí)就在沖擊作用下立即在沖擊點(diǎn)附近發(fā)生了斷裂，此時(shí)電解液外流，電池內(nèi)部陰極鋰材料發(fā)生氧化反應(yīng)，但是熱量并未積聚在電池內(nèi)部，大量熱量產(chǎn)生在電池外部，造成電池冒煙，但熱量不足以達(dá)到起火或者爆炸的臨界點(diǎn)，因此電池在該模式下受沖擊載荷所產(chǎn)生的后果反而比中能量沖擊模式要小。

圖5 高能量沖擊模式電池變形響應(yīng)Fig.5 Deformation responses of lithium-ion battery in high energy impact mode

2.2 不同沖擊能量下單體電池的機(jī)械力學(xué)特性

如圖6所示為電池受到不同沖擊能量落錘撞擊下的撞擊力，可以看出，電池在受到10、15、20、30、50 J撞擊時(shí)撞擊力峰值分別為13.48、16.56、19.03、21.24、19.68 kN(圖7)，前4種工況下電池落錘的撞擊力具有較為明顯的規(guī)律，即落錘能量越高，電池受落錘撞擊的撞擊力就越大，但是50 J沖擊能量下電池受落錘撞擊的撞擊力反而減小。

圖6 不同能量落錘的撞擊力Fig.6 Impact forces of drop-weight with different energy

圖7 不同能量落錘的撞擊力峰值Fig.7 Peak values of impact forces of drop-weight with different energy

造成該現(xiàn)象的原因是由于電池單體在受到高能量落錘沖擊時(shí)，電池外包膜連帶著里面幾乎所有的可卷曲薄片組在沖擊時(shí)發(fā)生了極為嚴(yán)重的斷裂破壞，而在其他能量下電池外包膜及內(nèi)部部分可卷曲薄片組并未產(chǎn)生破壞。

這表明外包膜及電池內(nèi)部可卷曲薄片組的破壞會(huì)引起電池整體剛度的降低，并產(chǎn)生更多的沖擊能量耗散和疏導(dǎo)，在落錘沖擊下反而會(huì)引起撞擊力峰值的降低。因此當(dāng)落錘能量不足以完全沖擊破壞電池外包膜的情況下，其落錘沖擊力隨著沖擊能量的增大而增大，而當(dāng)落錘能量進(jìn)一步增大至能夠?qū)е码姵卦谑艿經(jīng)_擊后發(fā)生斷裂等極為嚴(yán)重的機(jī)械破壞時(shí)，沖擊力則隨之下降。

2.3 不同沖擊能量下單體電池的機(jī)械/電化學(xué)耦合特性

由于相同失效模式下的電池響應(yīng)和數(shù)據(jù)規(guī)律基本上相同，因此在電池單體的三種沖擊模式中分別選取15、30、50 J作為典型工況進(jìn)行對(duì)比和分析。如圖8所示，分別為電池單體在15、30、50 J工況下的力響應(yīng)和電壓響應(yīng)曲線。

圖8 電池單體在不同能量沖擊下的響應(yīng)Fig.8 Response of battery cell under different energy impact

與響應(yīng)模式的規(guī)律類似，電池在三種模式下的電壓機(jī)械/電化學(xué)耦合特性也各不相同。電池受到15 J能量沖擊時(shí)處于低能量沖擊模式，由圖8(a)中可以看出，此時(shí)電池電壓在受到?jīng)_擊前后基本上能夠保持穩(wěn)定不變，電池的電化學(xué)性能基本保持穩(wěn)定。

電池在受到30 J能量沖擊時(shí)處于中能量沖擊模式，由圖8(b)中可以看出，電池電壓在受到載荷沖擊時(shí)便開始逐漸下降，當(dāng)撞擊載荷達(dá)到峰值后，電壓進(jìn)入一個(gè)平穩(wěn)的平臺(tái)段，當(dāng)撞擊結(jié)束后電壓又突然下降直至完全失效。這與中能量沖擊模式下的電池失效特征相對(duì)應(yīng)，當(dāng)電池受到落錘沖擊時(shí)，落錘的沖擊能量雖然能夠?qū)﹄姵貑误w內(nèi)部上層結(jié)構(gòu)被破壞，但是并不足以使得電池及內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全破壞，下層結(jié)構(gòu)仍然較為完好。而隨著壓縮過(guò)程的推進(jìn)，電池內(nèi)部上層的短路逐漸影響至下層，電池電壓?jiǎn)适В姵仉S之脹包著火并完全失效。

電池在受到50 J能量沖擊時(shí)處于高能量沖擊模式，由圖8(c)中可以看出，由于受到?jīng)_擊能量較大，電池電壓在初始階段隨著載荷的增大而急劇減小，這表明當(dāng)落錘能量較大時(shí)，對(duì)電池內(nèi)部造成了瞬時(shí)不可逆破壞，當(dāng)沖擊載荷達(dá)到峰值時(shí)，電池內(nèi)部以及外包膜完全破裂，電池電壓就完全喪失，電池內(nèi)部電解液流出，電池失效。

由此可知，在落錘沖擊過(guò)程中，電池自身的電壓變化與沖擊載荷沖擊能量的變化具有明顯的相關(guān)性，電池電壓和沖擊載荷互為影響，具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的耦合特性。

2.4 不同電量電池在相同沖擊能量下的機(jī)械/電化學(xué)耦合特性

針對(duì)電池不同電量的影響研究，選取了三個(gè)不同充電狀態(tài)下的整顆電池來(lái)進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，電池的電量狀態(tài)分別為0、50%和100%，落錘能量均為200 J，如圖9和圖10所示，分別為不同電量電池撞擊后變形和失效響應(yīng)。

圖9 電量0、50%電池受落錘沖擊后的形貌Fig.9 Appearances of SOC 0、50% battery impacted by drop-weight

圖10 電量100%電池受落錘沖擊后的形貌Fig.10 Appearances of SOC 100% battery impacted by drop-weight

在落錘沖擊完成后，電量為0的電池除了力學(xué)行為之外，并未有相應(yīng)的電池冒煙、著火等電化學(xué)行為，僅在試驗(yàn)現(xiàn)象伴隨有刺鼻性氣味；電量為50%的電池則在撞擊后迅速冒煙，有著火趨勢(shì)，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)部四個(gè)電池單體以及電池上下殼均被焚毀，損壞極為嚴(yán)重。

將電量為0和50%的電池內(nèi)部的單體分別拆除，兩塊電池內(nèi)部破壞基本上一致，即：最上面電池單體完全破裂，電池單體完全失效；第二塊電池單體有部分破裂，內(nèi)部有電解液泄露；第三塊電池單體外部由壓痕，發(fā)生了部分變形，但是并未產(chǎn)生電解液泄露、電池內(nèi)短路等失效；第四塊電池則壓痕范圍更小，電池單體幾乎未發(fā)生損傷，仍然保持完好。

如圖11為不同電量電池在200 J能量落錘沖擊下的力/電壓響應(yīng)。從載荷響應(yīng)模式上來(lái)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)還包括了電池殼體。當(dāng)落錘接觸電池上殼時(shí)，撞擊載荷開始響應(yīng)，此時(shí)逐漸形成第一個(gè)撞擊載荷峰值，隨著落錘繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，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)而形成第二個(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)。

圖11 不同電量電池的響應(yīng)Fig.11 Responses of batteries with different SOC

從載荷響應(yīng)數(shù)值上來(lái)看，不同電量的電池在相同能量沖擊下撞擊力載荷曲線具有重復(fù)性，三者之間并未因電池電量不同而產(chǎn)生有明顯的差異性。這表明電池自身的宏觀機(jī)械力學(xué)性能并不受到電池電量的影響。從電池壓降情況來(lái)看，電池電量為0、50%兩者具有一致的壓降規(guī)律，即在受到載荷沖擊時(shí)，上方第一個(gè)電池單體首當(dāng)其沖，導(dǎo)致電池整體電壓開始下降，在即將要達(dá)到第一個(gè)載荷峰值位置，上方第一個(gè)電池單體破裂失效，電池整體電壓呈現(xiàn)為三個(gè)電池單體的電壓和，并進(jìn)入短暫的平臺(tái)段。伴隨著電池上殼的失效以及上方第一個(gè)電池單體被完全壓實(shí)，上方第二個(gè)電池開始承受剩余沖擊能量，電池電壓開始下降，直至上方第二個(gè)電池發(fā)生破裂失效，撞擊過(guò)程結(jié)束，電池剩余兩個(gè)電池單體電壓。

由圖11可知不同電量電池在壓降過(guò)程中具有一致性，電壓變化規(guī)律、變化時(shí)間點(diǎn)、變化位置等均具有重復(fù)性，因此電池電量對(duì)電池撞擊過(guò)程中的壓降規(guī)律、壓降趨勢(shì)等電化學(xué)性能并不會(huì)產(chǎn)生影響。

綜上所述，電池電量對(duì)電池的機(jī)械/電化學(xué)耦合特性并未呈現(xiàn)明顯的影響規(guī)律，而電池電量對(duì)電池受撞擊后的著火、爆炸等安全性問(wèn)題具有影響，明顯的，電池電量越低，電池受撞擊后著火的風(fēng)險(xiǎn)就越低，反之則越高。

2.5 電池受沖擊載荷的溫度變化過(guò)程

如圖12所示為不同能量落錘撞擊后電池單體的溫度變化情況。與不同模式下的電池單體受沖擊響應(yīng)模式對(duì)應(yīng)，電池單體在15、30、50 J落錘沖擊能量下分別處于低能量沖擊模式、中能量沖擊模式和高能量沖擊模式。電池單體在受到15 J能量落錘撞擊時(shí)僅有部分壓痕，但是并未失效，試驗(yàn)過(guò)程中也并未出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，采集到的數(shù)據(jù)僅有因環(huán)境變化而產(chǎn)生的溫升。從溫度變化也可以明顯看出，電池單體受到30 J落錘沖擊后的后果最為嚴(yán)重，在撞擊后電池單體的最高溫度達(dá)到319.1 ℃，這與電池單體在受到?jīng)_擊后著火的現(xiàn)象相吻合。電池單體在受到50 J落錘撞擊后，雖然內(nèi)部出現(xiàn)了熱失穩(wěn)，但是并未造成災(zāi)難性后果，僅出現(xiàn)了冒煙現(xiàn)象，電池單體的最高溫度為95.9 ℃。

圖12 不同落錘能量沖擊下電池單體的溫度Fig.12 Temperature changes of battery cells under impact of different drop-weight energy

如圖13所示分別為0電量、50%電量和100%電量電池各層電池單體溫度變化圖，其中100%電量電池由于受到溫度測(cè)量?jī)x精度的限制，使得溫度在400 ℃以上的部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，但并不影響觀察其中各電池單體溫度變化規(guī)律。從其中可以明顯看出，不同電量電池在受到相同能量落錘撞擊后各層電池溫度不相同，但是總體規(guī)律是相同的，即第一層電池單體溫升最大，熱失穩(wěn)也最嚴(yán)重，第二層次之，接下來(lái)依次降低。

圖13 不同電量下各層電池單體溫度Fig.13 Temperature changes of SOC 100% battery cells

0電量電池在受到撞擊后的溫度變化最小，其中第一層至第四層電池單體的溫度峰值分別為78.9、78.5、50.9、40.3 ℃。電池在撞擊后并未造成嚴(yán)重后果，但仍然由溫升，這表明電池即使在使用容量顯示為0時(shí)內(nèi)部仍然由電量殘余，在受到動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下仍然有熱失穩(wěn)著火的風(fēng)險(xiǎn)。

50%電量電池在受到撞擊后有冒煙現(xiàn)象，這表明該電量電池已經(jīng)有一定的著火風(fēng)險(xiǎn)，溫升現(xiàn)象也更為明顯，其第一層至第四層電池的溫度峰值分別為134.9、115.5、94、66.2 ℃。

100%電量電池相對(duì)前兩個(gè)電池反應(yīng)更為劇烈，由圖17中可以看出，電池在受到落錘撞擊后各個(gè)電池單體的溫度迅速攀升至400 ℃以上，電池內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重?zé)崾Х€(wěn)，電池劇烈燃燒，整個(gè)電池包括外殼全部被焚毀，從圖中各圖線規(guī)律可以看出，主要是電池電量影響并造成了第一層電池最先發(fā)生燃燒，進(jìn)而影響下層電池單體發(fā)生連鎖反應(yīng)，造成更嚴(yán)重的后果。

3 結(jié)論

基于落錘沖擊的試驗(yàn)方法，分析了電池單體及整顆電池不同沖擊速度下電池載荷和失效模式的變化規(guī)律，對(duì)比研究了不同電量下電池包的破壞模式，初步評(píng)估了無(wú)人機(jī)用鋰電池在受到?jīng)_擊載荷下的安全性能，得出以下結(jié)論。

(1)電池單體在受到不同能量落錘撞擊后分為三種響應(yīng)模式：低能量沖擊模式、中能量沖擊模式、高能量沖擊模式。中能量沖擊模式相對(duì)于其他兩種模式有更高的著火、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

(2)當(dāng)落錘能量不足以完全沖擊破壞電池外包膜的情況下，其落錘沖擊力隨著沖擊能量的增大而增大，而當(dāng)落錘能量進(jìn)一步增大至能夠?qū)е码姵卦谑艿經(jīng)_擊后發(fā)生斷裂等極為嚴(yán)重的機(jī)械破壞時(shí)，沖擊力則隨之下降。

(3)電池自身的電壓變化與沖擊載荷沖擊能量的變化具有明顯的相關(guān)性，電池電壓和沖擊載荷互為影響，具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的耦合特性。

(4)電池電量與電池撞擊過(guò)程中的壓降規(guī)律、壓降趨勢(shì)和幅度等電化學(xué)性能之間并未有明顯的耦合關(guān)系，但是對(duì)電池受撞擊后的著火、爆炸等安全性問(wèn)題具有重要影響。