輕小型無人機鋰電池在沖擊載荷下機械/電化學耦合失效特性試驗

郭亞周， 劉小川， 白春玉， 賈璞， 郭斌

(1.中國飛機強度研究所， 結構沖擊動力學航空科技重點實驗室， 西安 710065； 2.西安交通大學機械工程學院， 西安 710049； 3.北京航空航天大學交通科學與工程學院， 北京 102206)

近幾年，民用無人機呈現爆炸式發展，逐漸涌現了一大批航拍、物流、植保等多種類多場景交叉應用下的無人機[1-3]。據統計到2025年底，民用無人機產值將達到1 800億元，年增速在25%以上[4]。其中以空機質量不超過15 kg，最大起飛質量不超過25 kg為代表的民用輕小型無人機發展最為迅速，據不完全統計，民用輕小型無人機占據民用無人機85%以上的市場份額[5]。

輕小型無人機作為民用無人機中市場占比最大的無人機類型，由于其重量輕、速度快、操作門檻低等特點，也最容易發生安全事故[6]。已有的研究表明，無人機在碰撞飛機、汽車等高速強沖擊載荷場景下，其碰撞嚴重性程度很大程度上由無人機電池、電機、攝像頭等集中質量塊決定[7-9]，其中以電池安全尤甚。幾乎超過96%以上的輕小型無人機動力源都來自于鋰電池。鋰電池雖然具有高能量密度，較好的經濟性等諸多優點，但是其在受到碰撞時所帶來的熱失穩、內短路、起落甚至爆炸等嚴重安全風險也絕對不容忽視[10-12]。鋰電池作為無人機最重要的安全部件通常占據整個無人機重量的1/3～1/2，且大多數無人機電池都暴露在結構的外部，這便使得在不可避免的碰撞發生時，電池將首當其沖的受到大部分沖擊載荷的作用，進而爆發嚴重的電池安全性問題。因此無人機鋰電池的碰撞安全性問題幾乎反映了無人機碰撞后果嚴重性底線，對于無人機鋰電池在沖擊載荷下的失效特性和安全性研究顯得愈發刻不容緩[13-15]。

目前，雖然世界范圍內已經開展了較多鋰電池的安全性研究，但是其中絕大多數都是單純的集中在電化學角度，對于因物理載荷撞擊而產生的電池損傷和失效研究則遠遠少于前者[16]。而事實上，電池發生內短路、熱失穩、起火爆炸等嚴重后果的起因大都是電池受到了沖擊載荷的作用和影響。結合這一現狀，Chen等[17]開展了鋰離子電池在沖擊載荷下的動態力學行為研究，分析了錘頭類型、應變率、充電狀態等對電池機械性能的影響規律，研究發現電池性能與錘頭類型具有較大的關系，電池結構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景下鋰離子電池性能的變化，結果發現電池的機械變形以及內部材料失效共同決定了電池的電化學變化，沖擊速度越大電池的內短路就越嚴重。Takumi等[19]通過開發數值模型，精確地再現了鋰離子電池的釘扎測試，結果發現探針速度與燃燒風險之間的關系比于穿透位置的關系更密切。Yang等[20]研究了機械加載下電池內部的內短路變化，研究結果表明隨著電池變形量增大，電池內部的短路會逐漸從軟短路逐漸演變為硬短路。并且提出了應對電池安全問題的改進措施。Chen等[21]研究了鋰離子電池在多次沖擊下的動態行為，揭示了短路電池失效與沖擊速度，沖擊能量和沖擊時間之間的關系，建立了電池故障和壓痕深度之間的定量關系，找出了電池軟硬短路的沖擊速度邊界。關于無人機電池的研究，大多是與場景結合起來，2017年11月美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)在其官網上發布了《無人機系統空中撞擊嚴重性評估最終報告》，該報告對結合實際無人機與民航客機的碰撞場景進行了無人機電池高速撞擊飛機結構的相關研究，并且基于研究結果和無人機電池的碰撞響應模式將無人機電池的撞擊風險劃分了三級。Meng等[8]基于經試驗驗證的仿真分析研究了無人機與民航飛機的碰撞響應，結果表明無人機的硬度比動能會產生更大的影響，同時發現無人機電池在撞擊過程中可能是潛在的著火源。

綜上所述，輕小型無人機運行多集中在低空和中低空空域內，無人機運行場景復雜，極有可能與地面交通工具或其他飛行器發生碰撞，如果電池在受到碰撞后發生二次爆炸或起火，將會造成公共財產損失。目前雖然有相關鋰離子電池在動態載荷下的研究，但是對于電化學機理角度研究明顯更多于機械力學分析，而機械力學角度對于電池系統安全防護設計具有不可忽視的作用。

由于無人機受到碰撞沖擊時，電池大多情況下受到的是碰撞擠壓載荷，且結合目前世界范圍內對于鋰電池的安全性研究現狀。現基于落錘沖擊的試驗方法，開展了袋狀鋰離子電池單體在沖擊載荷下的試驗測試，采用高速攝像機記錄分析了試驗過程中無人機的動態失效、起火失效過程，來分析不同沖擊速度/不同沖擊能量下電池內部電壓以及溫度變化的變化規律，對比研究了不同電量下電池包的破壞模式，初步評估了無人機用鋰電池在受到沖擊載荷下的安全性能。試驗結果為輕小型無人機鋰電池的安全性評估和安全防護設計提供了技術和數據支持。

1 試驗

1.1 試驗件

本試驗采用的是中國某款輕小型無人機所用鋰離子電池，如圖1所示，電池外部由塑料殼包裹，內部是由四個袋狀軟包電池串聯而組成的模組。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合軋制而成的可卷曲薄片組、電解液以及鋁制復合外包膜組成。其中可卷曲的薄片主要由陽極、陰極以及隔膜組成，其中陽極由涂覆有石墨的銅箔構成，陰極則由涂覆有活性材料的鋁箔構成，隔膜則是微孔聚丙烯材料。所選的電池試驗件基本性能信息表1所示。

表1 試驗所用電池參數

圖1 試驗用電池Fig.1 Lithium-ion battery of test

1.2 試驗裝置

如圖2所示為本次試驗中使用到的實驗設備，試驗前通過夾持釋放鎖將帶有吊籃、配重塊、壓頭的落錘機構提升至目標高度H，其中吊籃質量為21.17 kg，配重塊為10 kg，壓頭形狀為長條狀球頭形。在落錘試驗中，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進行落錘沖擊能量的調整。試驗過程中儀器主要用到高速攝像機、溫度測量儀、示波器等，由落錘底部傳感器采集試驗過程中的沖擊力；高速攝像主要用來記錄試驗過程中電池的宏觀變形、失效、著火甚至爆炸的響應，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行測量，并由溫度測量儀以1 Hz的頻率進行實時記錄；通過將兩個電極連接到數字示波器上，由示波器進行電壓數據的采集。文中采用的試驗件及試驗工況如表2所示。

圖2 試驗設備Fig.2 Test device

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

2 試驗結果

2.1 沖擊載荷下電池單體的失效及變形

經試驗研究后發現，沖擊載荷對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和失效模式各不相同，主要呈現三種撞擊響應模式。

(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，并未產生劇烈的電化學反應，在撞擊后僅在撞擊點部位出現凹坑，且并未出現鼓包、熱失穩等現象，電池在受沖擊后仍然能夠繼續工作。

圖3 低能量沖擊模式電池變形響應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，電池單體在受到沖擊能量如20、30 J沖擊后，明顯呈現了與低能量沖擊模式完全不同的變形、失效響應。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了以下較為明顯的幾個響應特征，即：受壓變形-電池脹包-熱失穩冒煙-出現火星-活性材料噴出-電池著火。造成此現象的最主要原因在于受到沖擊載荷后，電池發生了極為嚴重的內短路，且此時電池的受損程度相對較小，并不足以使電池外包膜發生大面積破裂，導致電池短路的熱量積聚在電池內部無法及時排出，使得電池發生脹包，造成電池內部熱量進一步升高出現熱失穩，電池內部的活性材料驟燃，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，又呈現了與前兩種都不相同的現象。在該場景下，電池在受到沖擊后發生了極大程度的彎折變形，電池在沖擊點位置直接發生了斷裂，電解液從電池內部大量流出，試驗現場伴隨有難聞的刺鼻性氣味。沖擊之后，短時間內電池從缺口處開始冒煙，電池出現了熱失穩，但是并未出現明火，未發生電池著火或者爆炸等現象。造成該現象的主要原因是電池在未來得及膨脹發熱時就在沖擊作用下立即在沖擊點附近發生了斷裂，此時電解液外流，電池內部陰極鋰材料發生氧化反應，但是熱量并未積聚在電池內部，大量熱量產生在電池外部，造成電池冒煙，但熱量不足以達到起火或者爆炸的臨界點，因此電池在該模式下受沖擊載荷所產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械力學特性

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

造成該現象的原因是由于電池單體在受到高能量落錘沖擊時，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發生了極為嚴重的斷裂破壞，而在其他能量下電池外包膜及內部部分可卷曲薄片組并未產生破壞。

這表明外包膜及電池內部可卷曲薄片組的破壞會引起電池整體剛度的降低，并產生更多的沖擊能量耗散和疏導，在落錘沖擊下反而會引起撞擊力峰值的降低。因此當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，而當落錘能量進一步增大至能夠導致電池在受到沖擊后發生斷裂等極為嚴重的機械破壞時，沖擊力則隨之下降。

2.3 不同沖擊能量下單體電池的機械/電化學耦合特性

由于相同失效模式下的電池響應和數據規律基本上相同，因此在電池單體的三種沖擊模式中分別選取15、30、50 J作為典型工況進行對比和分析。如圖8所示，分別為電池單體在15、30、50 J工況下的力響應和電壓響應曲線。

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

與響應模式的規律類似，電池在三種模式下的電壓機械/電化學耦合特性也各不相同。電池受到15 J能量沖擊時處于低能量沖擊模式，由圖8(a)中可以看出，此時電池電壓在受到沖擊前后基本上能夠保持穩定不變，電池的電化學性能基本保持穩定。

電池在受到30 J能量沖擊時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便開始逐漸下降，當撞擊載荷達到峰值后，電壓進入一個平穩的平臺段，當撞擊結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應，當電池受到落錘沖擊時，落錘的沖擊能量雖然能夠對電池單體內部上層結構被破壞，但是并不足以使得電池及內部結構完全破壞，下層結構仍然較為完好。而隨著壓縮過程的推進，電池內部上層的短路逐漸影響至下層，電池電壓喪失，電池隨之脹包著火并完全失效。

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

由此可知，在落錘沖擊過程中，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性，電池電壓和沖擊載荷互為影響，具有強關聯的耦合特性。

2.4 不同電量電池在相同沖擊能量下的機械/電化學耦合特性

針對電池不同電量的影響研究，選取了三個不同充電狀態下的整顆電池來進行落錘沖擊試驗，電池的電量狀態分別為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。

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的電池除了力學行為之外，并未有相應的電池冒煙、著火等電化學行為，僅在試驗現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，但是后續并未造成電池著火；電量為100%的電池在受撞擊后快速冒煙并伴有明火出現，熱量進一步積聚后內部活性材料以火苗狀被噴出電池外，進而導致電池迅速著火，電池著火之后內部四個電池單體以及電池上下殼均被焚毀，損壞極為嚴重。

將電量為0和50%的電池內部的單體分別拆除，兩塊電池內部破壞基本上一致，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，內部有電解液泄露；第三塊電池單體外部由壓痕，發生了部分變形，但是并未產生電解液泄露、電池內短路等失效；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。從載荷響應模式上來看，整顆電池在受到落錘撞擊后撞擊載荷主要呈現“駝峰式”響應，這是由于整顆電池不僅包括電池單體，同時還包括了電池殼體。當落錘接觸電池上殼時，撞擊載荷開始響應，此時逐漸形成第一個撞擊載荷峰值，隨著落錘繼續向下運動，電池上殼自身結構以及與下殼之間的連接關系被破壞，電池上殼失去承載能力，導致了撞擊載荷下降，隨后落錘繼續撞擊至內部堆疊的電池單體，進而形成第二個撞擊載荷峰值，并最終呈現出“駝峰式”載荷響應狀態。

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

從載荷響應數值上來看，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性，三者之間并未因電池電量不同而產生有明顯的差異性。這表明電池自身的宏觀機械力學性能并不受到電池電量的影響。從電池壓降情況來看，電池電量為0、50%兩者具有一致的壓降規律，即在受到載荷沖擊時，上方第一個電池單體首當其沖，導致電池整體電壓開始下降，在即將要達到第一個載荷峰值位置，上方第一個電池單體破裂失效，電池整體電壓呈現為三個電池單體的電壓和，并進入短暫的平臺段。伴隨著電池上殼的失效以及上方第一個電池單體被完全壓實，上方第二個電池開始承受剩余沖擊能量，電池電壓開始下降，直至上方第二個電池發生破裂失效，撞擊過程結束，電池剩余兩個電池單體電壓。

由圖11可知不同電量電池在壓降過程中具有一致性，電壓變化規律、變化時間點、變化位置等均具有重復性，因此電池電量對電池撞擊過程中的壓降規律、壓降趨勢等電化學性能并不會產生影響。

綜上所述，電池電量對電池的機械/電化學耦合特性并未呈現明顯的影響規律，而電池電量對電池受撞擊后的著火、爆炸等安全性問題具有影響，明顯的，電池電量越低，電池受撞擊后著火的風險就越低，反之則越高。

2.5 電池受沖擊載荷的溫度變化過程

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模式對應，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能量落錘撞擊時僅有部分壓痕，但是并未失效，試驗過程中也并未出現溫升現象，采集到的數據僅有因環境變化而產生的溫升。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重，在撞擊后電池單體的最高溫度達到319.1 ℃，這與電池單體在受到沖擊后著火的現象相吻合。電池單體在受到50 J落錘撞擊后，雖然內部出現了熱失穩，但是并未造成災難性后果，僅出現了冒煙現象，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量儀精度的限制，使得溫度在400 ℃以上的部分數據丟失，但并不影響觀察其中各電池單體溫度變化規律。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，但是總體規律是相同的，即第一層電池單體溫升最大，熱失穩也最嚴重，第二層次之，接下來依次降低。

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時內部仍然由電量殘余，在受到動態沖擊載荷作用下仍然有熱失穩著火的風險。

50%電量電池在受到撞擊后有冒煙現象，這表明該電量電池已經有一定的著火風險，溫升現象也更為明顯，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%電量電池相對前兩個電池反應更為劇烈，由圖17中可以看出，電池在受到落錘撞擊后各個電池單體的溫度迅速攀升至400 ℃以上，電池內部發生嚴重熱失穩，電池劇烈燃燒，整個電池包括外殼全部被焚毀，從圖中各圖線規律可以看出，主要是電池電量影響并造成了第一層電池最先發生燃燒，進而影響下層電池單體發生連鎖反應，造成更嚴重的后果。

3 結論

基于落錘沖擊的試驗方法，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律，對比研究了不同電量下電池包的破壞模式，初步評估了無人機用鋰電池在受到沖擊載荷下的安全性能，得出以下結論。

(1)電池單體在受到不同能量落錘撞擊后分為三種響應模式：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于其他兩種模式有更高的著火、爆炸風險。

(2)當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，而當落錘能量進一步增大至能夠導致電池在受到沖擊后發生斷裂等極為嚴重的機械破壞時，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性，電池電壓和沖擊載荷互為影響，具有強關聯的耦合特性。

(4)電池電量與電池撞擊過程中的壓降規律、壓降趨勢和幅度等電化學性能之間并未有明顯的耦合關系，但是對電池受撞擊后的著火、爆炸等安全性問題具有重要影響。