在近期發布了GB 18384-2020《電動汽車安全要求》、GB 38032-2020《電動客車安全要求》和GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項強制性國標并將于明年開始正式實施。這使得廠家對于車用動力電池的安全可靠性考核變得尤為重要。
     本文所介紹的溫度沖擊試驗，源自于電子電工產品通用環境試驗要求，通過對試中的溫度變化范圍、暴露時間、溫度轉換時間的嚴格要求，溫度沖擊試驗逐漸成為軍工、核電、航天、船用領域為常見的加速環境試驗項目。隨著新能源汽車行業的發展，動力電池的安全可靠性、環境適應性要求越來越高，溫度沖擊試驗往往成為企業對于動力電池可靠性的必要評估手段。
    試驗目的
    溫度沖擊試驗是為了確定動力電池耐環境溫度快速變化的能力，對于新能源汽車而言，雖然實際應用中并不會經常遇到如此快速轉換時間的工況，但溫度沖擊試驗是通過一種加速試驗來模擬車輛在使用過程中大量的慢溫度循環，快速考核出動力電池內各種材料、密封圈及關鍵零部件的失效程度，有效避免動力電池在使用過程因溫度快速變化引發失效而導致的意外事故。
    試驗解析
    溫度沖擊試驗主要參考ISO 16750-4以及IEC 60068-2-14兩份標準，比GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中規定的溫度沖擊試驗更為的嚴酷，轉換時間更短，不得大于30s，

    整個溫沖試驗周期中包含了低溫溫度TA、高溫溫度TB、持續時間t1、高低溫轉換時間t2、溫度恢復時間、溫度穩定持續時間和沖擊次數，根據產品的不同應用工況確定上述試驗參數，來加速考核產品的實際性能。

圖1 標準規定溫沖曲線

圖2 實際試驗溫沖曲線

    試驗設備

    主流的溫度沖擊箱結構主要有提籃式兩箱和充氣式三箱結構，主要差異在于樣品的移動與否，提籃式結構就是樣品跟隨提籃在兩個溫度箱之間移動切換，承受溫度應力對樣品的沖擊，而充氣式結構能使樣品保持不動，通過蓄冷箱和蓄熱箱往樣品室充氣來實現樣品經受溫度沖擊的效果。對于提籃式結構，常規一立方以內的溫沖箱均為上下提籃結構，可有效節約設備占地面積，大型步入式溫沖箱則為左右提籃結構，為了滿足大承重樣品的測試要求。

溫沖試驗控制界面圖

大型溫度沖擊箱

    非標溫沖試驗箱是針對定制化的客戶需求，如三個不同溫區間沖擊、低溫與低溫沖擊、高溫與高溫沖擊，高溫高濕與低溫沖擊（霜凍試驗），使得非標溫沖箱在市面上也具有一定的占有率，非標結構的溫沖箱由于結構上的優化，其溫沖范圍甚至可以擴大至250℃～-70℃，滿足更多產品種類的測試需求。

非標溫沖箱

    關鍵參數
     溫度沖擊試驗作為一個加速試驗，轉換時間和恢復時間兩大關鍵參數起到了至關重要的決定性影響。
    （1）轉換時間：溫度沖擊箱區別于其他環境試驗箱的根本差別在于其機械結構部分，溫度沖擊箱主要由蓄冷箱、蓄熱箱和提籃結構組成，樣品在提籃的帶動下在蓄冷箱和蓄熱箱之間快速轉換起到溫度沖擊的效果，整個沖擊過程中需要盡可能的避免樣品出現位移，這就需要測試人員在試驗初期對樣品結構提前進行預估，對可能產生的影響進行判斷后對樣品進行加固處理，同時移動提籃在滿足標準轉換時間的情況下，必須要做到緩起和緩停的要求，避免樣品在經受溫度沖擊的同時仍經受額外的機械碰撞的應力影響，導致后期在樣品失效分析上難以辨別失效模式。

    （2）恢復時間：溫度沖擊試驗中另一個典型參數是恢復時間，標準中規定的恢復時間指提籃內空氣溫度的恢復時間，也可根據客戶要求將恢復時間定義為樣品恢復時間。對于前者，在測試過程中測試工程師可根據經驗設置蓄冷和蓄熱溫度來使提籃的空氣溫度恢復時間控制在標準規定的0.1倍暴露時間內或客戶要求的恢復時間范圍內，而對于后者，僅利用蓄冷蓄熱溫度并不能有效的使樣品快速恢復到目標溫度，這就需要測試工程師前期對樣品進行預試驗，根據樣品的發熱情況，調整試驗預設參數，使樣品能夠迅速的達到預期溫度，起到縮短試驗時間的目的。

溫沖試驗樣品整體溫度采集數據曲線

    數據采集
     對于動力電池溫度沖擊試驗，比較復雜的是，在試驗過程中對電池產品自身進行數據采集，監控整個溫沖試驗過程中的溫濕度、電壓電流、振動位移量級、應力應變數據等，有效記錄和儲存產品各項性能指標，避免電池產品在試驗過程中出現異常情況而產生爆炸的危險，也可通過各項采集數據對樣品進行改進和優化處理。

    另外，整個采集過程需要根據樣品的結構特點布置具有代表性的位置，才能采集出具有代表意義的數據，通常應變片會布置在樣品的焊縫處、孔位位置、折邊位置等應力較大區域，熱電偶會布置于電芯、正負極、熔斷位置、樣品表面等溫度波動較大位置，振動傳感器會布置在上蓋點、下蓋橫梁、螺栓固定位置等具有代表性位置，除了憑試驗經驗布點外，還可以通過簡單的模態仿真確定出可能的應力集中位置進行采集點布置，避免不必要的布點，從而減少試后數據處理的工作量。

試驗內箱

采集傳感器

溫沖應力數據曲線

    失效分析手段
     電池產品的可靠性失效分析包括電芯、模組、電池包零部件以及所有規格電池包的標準測試需求。溫度沖擊試驗中，試驗樣品經常會遇到材料變形、焊點開裂、涂覆層龜裂等失效現象，針對上述問題，我們可以在試驗初期通過應力仿真和熱仿真的手段提前對樣品進行分析，找出可能出現的問題點提早進行解決和優化，避免樣品整體在溫度沖擊過程中出現大面積失效的現象，另外，通過試中采集到的各項數據來優化仿真模型，為樣品的結構改進積累數據經驗，優化電池產品整體結構。

    對于溫度沖擊試中出現的局部結構變形或者材料失效，可通過失效分析的手段對失效部位進行無損或切片分析觀察其微觀結構，找出材料失效原因改進材料性能，優化產品自身結構設計，提升產品可靠性。

具體位置熱仿真

X光照射焊點裂紋圖

    篇后語
     溫度沖擊環境可靠性測試，仍有很多注意要點有待我們去研究和分析。
    今后的主要研究方向會從溫度沖擊試驗后樣品的失效模式和樣品結構的耐溫沖性能入手，尋求更優的樣品結構和選材。