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电池包铜排测试要求与解析

2020-05-29

       新能源动力电池由多个电芯组成一个模组,多个模组放在一起组成动力电池。多个模组的串联就必然要用到导电连接。目前,新能源汽车主要用的是软铜排串联方式,因为软铜排的良好的导电效率,有外层的绝缘保护,中间柔性的结构可以缓冲汽车行驶中的应力,可以保障汽车的安全性与稳定性。由此可知,铜排作为一个连接的载体其性能是至关重要的,那么如何保障装配在新能源汽车上的铜排是符合要求的呢?毫无疑问,标准的检测流程是证明其符合要求唯一的手段。

       本文依据客户委托的铜排busbar测试方案,并结合主要相关标准,分析归纳出铜排在基础性能、电性能、环境及机械、阻燃性能、老化耐久等几个方面的测试要求,并对这些测试项目进行理论分析和实际展示。

01 电池包铜排的测试要求

       铜排作为电池包内部的连接部件和导电总母排,也叫铜排busbar。其作用一方面是连接和导电;另一方面一些厂商不断推高电池容量以增加电动汽车续航能力,但由于电池包的设计一般都采用紧凑结构,电池本身的发热倾向于往中部聚集,其结果是动力电池系统的散热也相应的越来越成大,而使用铜排软连接可以让电池包中的热量及时散开,以保持电池模组内的温度正常,故而铜排还兼顾有散热作用。
       因此铜排作为如此重要部件,其不仅要满足自身的性能要求,同时还应满足道路车辆部件的相关要求。目前针对电池包铜排没有专门的对应标准,其要求绝大多数是参考GB/T 25085(ISO 6722)《道路车辆60V和600V单芯电线》、GB/T 31467.3《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统》、GB/T 28046.3《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第3部分机械性能》、GB/T 28046.4《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第4部分气候负荷》。
       主要测试项目归纳如表1:


02 电池包铜排的测试方法解析

     针对铜排busbar的测试方法分析,我们以理论分析和实际测试图片展示为主,并在关键测试项目进行失效因素分析。

外观检查

     外观检查主要是为了使铜排外观状态符合出厂技术要求,其外表通常要求平整、无毛刺、无可见缺陷及变形等,其方法为:使用目测观察铜排外观状态。

如图1为外观检查实测图:


图1

尺寸测量

      尺寸测量其目的是为了检查铜排是否符合设计要求,如果铜排外尺寸不合格,则会直接影响到装配效果。

       其方法为:使用卡尺检查铜排。如图2为尺寸测量实测布置图。


图2

电压降

       我们知道铜排busbar本身有内阻,那么导通在铜排接触两端电压势必有电势降低。电压降测试就是为了比较铜排接触两端的电压与输出电压(端子到端子两端),其电压降值应符合技术要求。
       其方法为:通过规定的电流I,用高精度万用表测量铜排接触两端电压U1,输出电压U,测得△U=U-U1;如图3电压降实际操作状态图。


图3

      一般来说,铜排电阻率是影响电压降关键因素,而电阻率又和材料有关。目前制造铜排好的材料是选用紫铜,紫铜具有延展性好、抗腐蚀好、导电率高的优点

电性能试验

       电性能的目的是为了按要求计算出导电率和电阻系数,以确定铜排的基本参数符合规定要求,我们可以按照GB/T 351中的方法计算:


耐电压、绝缘电阻试验

       作为电池包pack内部重要的连接和导电部件。一般来讲,铜排在电池内部可以承受到200~300V的高压,如果其耐压和绝缘性能不过关,可能会导致漏电增多、内部短路等情况,严重可能引发安全事故,因此型式验证必不可少。 

       其方法为:在一定的相对湿度时,在铜排绝缘层外均匀缠绕锡铂纸,在总成导体与锡铂纸间施加交流500~2500V(绝缘施加直流500V),持续进行1min。铜排绝缘应不被击穿或者符合最低绝缘要求。图4为耐压和绝缘实际应用实例图。


图4 耐压绝缘实际操作布置

       我们可以从测试原理上得知,表面绝缘材料和施加的测试电压是影响绝缘的两个重要因素。对于测试电压的选择:一般情况下规定额定电压低于500V的设备,选用500V或1000V作为测试电压;额定电压大于500V的设备,选用1000V或2500V作为测试电压。对于材料选择:制造商应根据产品性能选择合适的绝缘材料,确保产品符合验收要求。

温升试验
       温升的主要目的在于控制铜排在工作时的发热量。其方法为:在规定的环境温度下,在铜排两个导流端上施加额定电压并通过额定电流,热平衡(至少1h)后,测量铜排表面温升。图5铜排表面温升实际操作图。

图5 铜排表面温升实际布置图

       一般情况下,影响铜排温升的因素为导流端与铜排的接触电阻和环境温度。
       导流端与铜排的接触松动,形成接触面电阻过大,根据W=I2*R*t可知,其在相同的时间内,在通过导流端电流一定情况下,接触电阻越大,产生的热功率就越大,从而使接触端温升较大。为了避免接触电阻过大问题,必须选用匹配的螺栓紧固导流端和铜排。
       测试环境空气不流通使铜排产生的热量不能有效散去,长时间聚集使周围环境温度升高,从而使铜排表面温升升高。再者环境箱中风速过大或铜排部分靠近出风口,也会造成铜排表面温升不均匀。因此我们在选择的测试环境上必须为恒定环境。

低温、高温

      低温、高温试验主要是模拟铜排会在实际中会遇到的冷热气候,目的在于检查铜排在经过极限温度之后,其外观是否有变形、绝缘和耐压性能是否有降低。
      其方法为:低温在不低于-40℃下,存储不超过24h;高温不超过85℃,存储不超过48h。根据GB/T 28046.4中规定-40℃是车辆极限低温,因为我国北方最寒冷气温平均能到-40℃左右,又根据产品在车上的安装位置决定了其高温温度。图6为铜排高低温试验操布置参考图。

图6  铜排高低温实际布置图

温度冲击试验

       温度冲击试验是为了验证铜排在两个极限温度反复变换时,是否对其性能产生影响    例如在经过极限温度冲击之后,其外观是否有变形、绝缘和耐压性能是否有降低、前后电压降是否合格。
       其方法为:可根据GB/T 31467.3中规定将铜排置于(-40℃±2)℃~(85℃±2)的交变环境箱中,两种极端温度的转换时间在30min内,每种极端温度保持8h,循环5次。图7为温度冲击模拟曲线。

图7 温度冲击模拟曲线

       一般没有特别规定条件下,铜排busbar为不带电进行温度冲击试验,试验前后目视外观、验证电压降和绝缘性能。图8为实测布置图:


图8  温度冲击测试布置图

湿热循环试验

       湿热循环是为了验证铜排在高温、高湿条件下,其性能是否产生影响。例如在经过高温之后,其外观是否有变形;经过高湿环境下,绝缘和耐压性能是否有降低、前后电压降是否合格。

       其方法为:可根据GB/T 31467.3中规定将铜排置于温度不低于80℃,湿度不低于85%条件下进行试验。一般没有特别规定条件下,铜排busbar为不带电进行温湿循环试验图9为温湿循环实测布置图。


图9  温湿循环实测布置图

振动、机械冲击试验

       铜排作为电池包内部重要的连接部件,振动和冲击验证关键是保证铜排不断裂、变形,验证前后绝缘和电压降符合要求。
       其方法为:振动可根据GB/T 31467.3中规定执行在10~1000Hz频率下,RMS为27.8m/s2的随机振动,或者按照GB/T 28046.3中根据相关位置选择参数进行测试。机械冲击可根据GB/T 31467.3中规定25g,15ms,或者按照GB/T 28046.3中规定执行测试。图10为铜芯线束振动、机械冲击实测布置图。

图10  铜芯线束振动、机械冲击实测布置图

阻燃性能

       电池系统作为一个高能量储能载体,其危险性为起火、爆炸,而铜排作为电池包内部重要的连接部件,其表面绝缘材料阻燃性能必须符合要求。

       其方法为:阻燃性能可参考GB/T 2408中规定,铜排一般选择垂直燃烧法,记录余焰燃烧时间。

       般根据综合考虑,铜牌的阻燃性能应达到V-0级。

老化试验

       老化试验目的是为了验证铜排总成在长时间高温条件后,其表面绝缘层是否有开裂、变形,总成绝缘和耐压性能是否有降低。
       其方法为:可参考GB/T 25085中“240h短期老化”和“3000h长期老化”
        一般“短期老化”是为了模拟热漂移,铜排表层绝缘材料在经过短期老化之后,是否会发生热胀冷缩现象;而“长期老化”主要是为了模拟耐热性能,铜排绝缘层在长时间高温环境中必然会发生变化,其变化是否会影响绝缘性能和耐压性能。图11为铜排总成实际进行“240h短期老化”实测布置图;图12为铜排总成试后目视观察图;图13为试后绝缘性能实测图。


图11 铜排总成“240h短期老化”实测布置图


图12 铜排总成试后目视观察图

图13 试后绝缘性能实测图

      试验结果表明,合格的绝缘层材料其在经过老化试验后,其外观和绝缘耐压性能也是符合要求的。

      最后,汽车的发展将越来越趋向于电气化,电气化的核心将带动产品研发趋向于高压大电流发展。目前传统实验室检测能力一般限定在24V或48V以内,而上电科作为综合性科研试验机构,有着专门的新能源产品实验室,能力可达到DC 2000V-2400A。

国家汽车电气化产品及系统

质量监督检验中心介绍

      上海电器设备检测所有限公司-国家汽车电气化产品及系统质量监督检验中心(简称STIEE-汽车国家中心),STIEE-汽车国家中心具有全面的汽车电气化产品测试能力,下设电磁兼容、环境可靠性、电化学、功能安全、材料、失效分析等专业共性实验室,产品类别涵盖低压零部件,动力电池、驱动电机及控制器等各类高压部件,充电桩及充电机,车用继电器、智能网联终端等汽车电气化部件产品,为行业、企业提供国内专业一流的一站式第三方检测服务。

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