輕型消費級無人機軟包鋰離子電池在機械強沖擊載荷下的力學響應特性

關鍵詞：軟包鋰離子電池；高速沖擊；機械載荷；變形模式；著火風險

低空經濟作為一項戰略性新興產業，正逐漸成為我國新質生產力的代表，其中民用無人機是低空經濟的先行者。近些年涌現出了一批無人機全球龍頭企業，使得我國具備了低空經濟產業的全球競爭優勢。無人機中，以空機質量不超過4kg、最大起飛質量不超過7kg、最大平飛速度不超過100km/h的輕型消費級無人機占據了民用無人機市場顯著份額，輕型消費級無人機在個人娛樂、安防等領域的成功應用進一步促進了其蓬勃發展[1-3]。

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

目前，輕型消費級無人機常用的電動能源系統為軟包鋰離子電池模組，學者們對軟包鋰離子電池的機械沖擊安全性開展了廣泛研究。Jia等[11]通過開展壓縮實驗和落錘實驗，研究了軟包鋰離子電池在動態載荷作用下的力學機械與電化學耦合失效行為，發現電池組件的機械變形和材料失效共同決定了電池在受到沖擊后的響應模式。Zhu等[12]開展了完全約束下的面內壓縮、填充泡沫邊界面內壓縮、圓形沖頭面內壓痕等3種不同類型的實驗，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力-應變響應，闡釋了電池在平面壓縮下的漸進折疊機制。Pan等[13]借助實驗和數值分析方法，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部的短路機理，分析了電池單元內部材料的動態變形過程。Zhu等[14]建立了軟包鋰離子電池的精細化有限元模型，通過對集中典型載荷工況的數值模擬，摸清了鋰離子電池在受到外部載荷時其內部結構的變形形式和失效順序，發現電池單體的破壞過程分為2個典型的階段。Chen等[15]利用落錘試驗機，分別采用圓形壓頭和平形壓頭開展實驗，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，發現在某些加載方式下，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行局部沖擊破壞時，發現電池內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進行了仿真分析，發現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加載下的應變率損傷效應及失效行為，同時基于多場分析方法，研究了鋰離子電池在機械濫用條件下的內短路和熱失控行為機理及其機械-電化學耦合損傷失效情況，解釋了機械載荷作用下電池的電化學退化機制。2017年，Olivares[23]指出，無人機電池作為不穩定部件，在受到飛機撞擊后存在極大的爆炸或燃燒風險，同時也劃分了鋰離子電池3層級的著火風險等級。郭亞周等[24]基于落錘沖擊實驗方法，開展了無人機用軟包鋰離子電池在沖擊載荷下的實驗測試，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/能量下電池內部電壓及溫度的變化。Meng等[25]研究了飛機前緣結構與無人機之間的碰撞安全性，發現飛機前緣結構在與無人機撞擊時，無人機鋰離子電池作為潛在的著火危險源，對飛機的飛行安全造成嚴重威脅。劉新華等[26]開展了落錘沖擊無人機鋰離子電池的實驗，研究了不同落錘能量下鋰離子電池損傷的嚴重性，初步揭示了機械沖擊載荷誘發鋰離子電池包熱失控的電化學響應規律。

綜上所述，輕型消費級無人機運行場景復雜，特別是當無人機與地面車輛或其他飛行器高速撞擊時，瞬時的高能量沖擊會導致鋰離子電池極有可能發生爆炸或燃燒。當前，有關軟包鋰離子電池動態沖擊的研究更多的是基于標準實驗方法開展的準靜態或低速、低能量沖擊測試與分析，針對無人機碰撞場景下的高速、高能量沖擊研究則較少?；诖?，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和面外高能沖擊實驗，研究不同沖擊載荷形式下鋰離子電池的碰撞響應，分析不同電量的鋰離子電池在高速沖擊下的著火特性，基于高速攝像系統觀察軟包鋰離子電池在高速撞擊下的變形響應，探究典型無人機軟包鋰離子電池在不同撞擊速度下的響應差異性，以期為軟包鋰離子電池的安全防護提供數據支撐。

1試件

選用某款輕型消費級無人機鋰離子電池為試件，如圖1所示，該鋰離子電池包括聚碳酸酯塑料外殼、4個袋裝軟包鋰離子電池單體串聯而成的電池組以及內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合軋制而成的堆疊結構、電解液以及鋁制復合外包膜組成，堆疊結構主要由陽極、陰極以及隔膜組成，陰極由涂覆有活性材料的鋁箔構成，陽極由涂覆有石墨的銅箔構成，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）中坐標系所示，電池采用面內和面外2種加載方式，其中載荷在x方向上加載傳遞則為面內加載方式，在z方向上加載傳遞則為面外加載方式。

2實驗裝置

2.1落錘沖擊實驗裝置

采用落錘沖擊實驗裝置，對軟包鋰離子電池開展面內沖擊壓縮實驗，落錘沖擊實驗裝置如圖2所示，g為重力加速度。實驗中用到的主要設備有鋰離子電池實驗件、落錘機構、電磁鎖、測力平臺（載荷傳感器）、高速攝像機等，其中落錘機構包括吊籃、配重塊和壓頭，吊籃和壓頭總質量為21.17kg，配重塊質量為10kg。

鋰離子電池面內沖擊壓縮實驗的測試項目主要包括沖擊載荷、鋰離子電池宏觀變形響應、著火爆炸響應等。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構的質量和落錘機構的初始下落高度決定，采用保持落錘機構質量不變、改變落錘機構下落高度的方式來調整沖擊能量。實驗過程中，將鋰離子電池試件放置在測力平臺上，并調整位置使壓頭對準鋰離子電池中間位置，再由電磁起吊裝置將落錘機構提升至目標高度。各個系統準備完畢后，由電磁鎖釋放落錘機構，自由落體跌落撞擊電池實驗件，同步觸發各測試子系統，并在落錘完全靜止后結束本次實驗。面外沖擊實驗中高速攝像機設定拍攝頻率為2000Hz，實驗測試工況如表2所示。

2.2高速氣炮沖擊實驗裝置

基于高速氣炮裝置開展軟包鋰離子電池面內沖擊實驗，高速氣炮沖擊實驗裝置如圖3所示。高速氣炮沖擊實驗裝置主要由儲氣罐、發射裝置、控制系統、激光測速系統、高速攝像系統、數據記錄儀等設備構成。如圖4所示，實驗過程中鋰離子電池放置在經過設計制備的彈托內，鋰離子電池速度由儲氣罐內的氣壓控制，由發射裝置發射鋰離子電池，鋰離子電池發射后撞擊在鋁板上。鋁板被安裝在電池防爆燃防護箱內，在鋁板背部撞擊點附近徑向和橫向共布置6個應變片（#1～#6），如圖5所示。面內沖擊實驗中，高速攝像機設定拍攝頻率為2000Hz，實驗測試工況如表3所示。

3實驗結果及分析

3.1面內沖擊與面外沖擊變形響應的差異

為研究鋰離子電池面內沖擊和面外沖擊的差異，選取充電狀態為100%的帶外殼整顆電池分別開展了落錘沖擊和氣炮沖擊實驗，其中氣炮沖擊實驗速度為37m/s，沖擊對象為2.0mm厚的鋁板，折合沖擊能量為201J，落錘沖擊實驗能量設定為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過程見圖6，面內氣炮沖擊實驗響應過程見圖7，可以看出，當沖擊能量為200J時，面外與面內沖擊響應時間基本一致，均在10ms左右，兩者撞擊響應過程則具有一定的差異性。

撞擊初始階段，面內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，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生翹曲。與面外落錘沖擊相比，該時刻下面內氣炮沖擊下鋰離子電池撞擊鋁板，鋁板被撞擊部位迅速發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，上下殼同時發生塑性變形，并且相互之間開始從上下相反方向做分離運動。

撞擊5.0ms時，面外沖擊落錘繼續向下運動，鋰離子電池上半部外殼在受到撞擊位置發生翹曲開裂破壞，從落錘下降位置可以看出，鋰離子電池內部4個電池單體最上部分單體由于落錘沖擊擠壓作用開始發生破壞，落錘沖擊期間有粉末物質濺出。該時刻下，面內氣炮沖擊鋰離子電池持續撞擊鋁板，被撞擊鋁板變形量進一步變大，鋰離子電池上半部外殼與下半部外殼在沖擊方向上持續脫扣，上半部外殼向上翹曲發生塑性變形，此時可以看到鋰離子電池內部單體，由于鋰離子電池前端有連接4個單體的電路板，同時電路板與前部外殼之間存有空隙，因此，此時雖然外殼發生明顯變形，但是電池單體并未與面板相撞。

撞擊7.5ms時，面外沖擊落錘能量仍未被完全吸收，持續向下撞擊，此時電池外殼斷裂長度增大，電池外殼繼續發生翹曲，此時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，沖擊過程中持續有粉末物質濺出。該時刻下，面內氣炮沖擊鋰離子電池變形繼續變大，上半部外殼與下半部外殼開口增大，此時外殼與電池內部電路板之間空隙被壓實，4個單體開始在面內方向上撞擊鋁板。

撞擊10.0ms時，面內沖擊落錘達到最低點位置，鋰離子電池上半部外殼達到最大變形，外殼兩側幾乎完全斷裂，上半部分外殼發生嚴重彎曲變形，此時第2層電池單體逐漸開始發生破壞，落錘沖擊基本結束，錘頭開始發生反彈。此時面內沖擊氣炮的能量被完全吸收，鋰離子電池發生最大程度變形，上半部外殼與下半部外殼完全脫扣，開始逐漸分離，此時4個電池單體發生了部分擠壓變形，但總體變形量不大。

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

圖8（b）給出了面內氣炮沖擊后電池的形貌，可以看出，無人機鋰離子電池上半部殼體受撞擊后與下半部殼體完全分離，下半部殼體發生彈性變形后恢復，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生明顯變形，但是整顆電池整體完好，電池有輕微發熱，被撞鋁板變形相對較小，鋁板結構上沒有殘留黑色物質，電池在撞擊過程中沒有物質泄露。

綜上所述，當鋰離子電池分別承受面內沖擊和面外沖擊時，面外落錘沖擊時整個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，電池電解液從內部流出，短時間內電池逐漸冒煙，熱量在電池內部積聚，造成電池內部熱量逐步升高，發生熱失穩后活性材料燃燒，進而電池發生爆燃；面內氣炮沖擊時，由于一般在面內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，因此當電池在高速撞擊到被撞物時，大部分能量都被外殼變形所吸收，而正是因為電池單體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個電池單體同時承受面內載荷，盡管有一定的擠壓，但是并未發生著火。因此，當鋰離子電池承受面外沖擊載荷時，著火風險高于面內沖擊。

3.2電量對鋰離子電池力學響應特性的影響

選取3種不同充電狀態的整顆電池分別開展了落錘沖擊實驗和氣炮沖擊實驗，電池的充電狀態分別為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如圖9所示，面內氣炮沖擊場景下不同電量電池撞擊后的變形和失效響應如圖10所示。

在沖擊能量為200J的面外落錘沖擊實驗中，電量為0%的電池并未發生爆炸、燃燒等相應的電化學行為，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4個電池單體以及電池上下殼均被焚毀，損壞極為嚴重。不同電量電池在200J能量落錘沖擊下的沖擊力隨時間的變化如圖11所示。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1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2個撞擊載荷峰值，并最終呈現出“駝峰式”載荷響應狀態。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沖擊速度的面內氣炮沖擊實驗中，電池芯發生了巨大的變形，但是并沒有出現明顯的燃燒現象。由于鋁板較厚，鋁板未產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，說明電池在碰撞的時候有物質泄漏，電池外殼在撞擊后呈現花瓣式分裂破壞，吸收大量能量，電量為0%的電池內部幾乎沒有活性化學物質，所以電池內部并沒有發生短路，電池也沒有產生發熱現象；電量為50%的電池在沖擊過程中的響應則與電量為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，電池內部的化學物質不足以使電池發生燃燒反應，但電池單體表面的溫度明顯升高，電池整體處于電化學不穩定狀態；電量為100%的電池在撞擊過程中被破壞成幾片后迅速產生冒煙著火的現象，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力學響應基本一致。

綜上所述，鋰離子電池電量與其碰撞著火特性具有強相關關系，鋰離子電池本身的力學響應受自身材料及結構特征影響，電池電量不會影響電池的機械力學碰撞響應情況。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厚鋁板時發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行了100%電量電池氣炮沖擊實驗，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情況如圖13所示，不同速度氣炮沖擊下鋁板的碰撞響應情況如圖14所示。

從圖13可以看出，當電池以50m/s的速度撞擊鋁板時，電池整體在撞擊后首先發生上下外殼脫扣，上層電池單體脫粘飛出，產生較大變形，電池外殼在受撞擊后發生塑性變形，電池外形整體保持相對完好，并未產生爆燃現象。當電池以60m/s的速度撞擊鋁板時，電池首先分裂成幾個部分，發生嚴重破壞后電池內部化學物質發生劇烈的電化學反應，進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。當電池以85m/s的速度撞擊鋁板時，電池解體破碎后迅速燃燒，4顆電池單體均著火嚴重，電池單體外裹殼體全部被燒毀。

從圖14可以看出，當電池以50m/s的速度撞擊2.0mm厚的鋁板時，鋁板上并未有黑色物質，表明電池雖然在撞擊后發生解體，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?。划旊姵匾?0m/s的速度撞擊鋁板時，鋁板上殘留有黑色電解物質，鋁板變形區域面積進一步增大，撞擊中心凹坑水平最大寬度為144.0mm；當電池以85m/s的速度撞擊鋁板時，鋁板上殘留更多黑色電解物質，電池單體在撞擊過程中即發生破裂，鋁板在固支邊范圍內發生整體塑性變形，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，應變片#1測得的應變數據如圖15所示?？梢钥闯?，當電池撞擊2.0mm厚的鋁板后，85m/s撞擊下應變片#1測得的應變峰值為3302.7，60m/s撞擊下對應應變片位置的應變峰值為3063.3，50m/s撞擊下對應變片位置的應變峰值為1458.2。由以上分析可以看出，在鋰離子電池氣炮沖擊實驗中，60m/s速度撞擊能量是50m/s速度撞擊的1.44倍，撞擊結果顯示，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，典型部位應變則是50m/s撞擊工況的2.26倍。除此之外，當電池電量為100%時，本文中所選擇的輕型無人機鋰離子電池以50m/s撞擊2.0mm厚的鋁板后燃燒風險相對較低。

4結論

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和面外沖擊實驗，研究了不同沖擊載荷形式下鋰離子電池碰撞響應的差異，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，得到了如下主要結論。

（1）鋰離子電池承受面外沖擊載荷時著火風險遠高于面內沖擊，適當提高電池外殼的強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險。

（2）鋰離子電池碰撞著火特性與其電量具有強相關關系，鋰離子電池本身的力學響應主要受自身材料及結構影響，電池電量并不會影響電池的機械力學碰撞響應。

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