电池包热扩散在碰撞安全测试中的测试流程与判定

在新能源汽车碰撞安全领域，电池包热扩散是引发次生危险的核心风险——碰撞可能导致电池内部结构损坏、电解液泄漏或短路，进而触发热失控连锁反应，威胁驾乘人员安全。因此，明确电池包热扩散在碰撞安全测试中的流程与判定标准，是验证车辆被动安全性能的关键环节。本文将围绕碰撞测试中的热扩散测试逻辑、流程设计及判定依据展开，拆解从测试前准备到结果评估的全链路细节。

测试前的受试对象与环境准备

电池包作为受试对象，需满足严格的初始状态要求：首先是SOC（State of Charge）控制——需处于100%满电状态，因满电时电池内部能量密度最高，热失控风险最能反映极端工况；其次是历史状态核查——电池包需无prior损伤（如既往碰撞、过充过放记录），且通过出厂时的电性能检测（如容量保持率≥90%、内阻≤15mΩ）。

测试环境需符合ISO 12405等标准的要求：环境温度控制在20±5℃，湿度≤60%RH，避免温度过高或过低影响电池化学反应速率；通风条件需保证测试区域空气流速≤0.5m/s（防止气流干扰温度监测），同时配备强制排风系统（用于排出热扩散产生的有害烟气，但需避免对电池包周围流场造成扰动）。

设备校准是测试有效性的前提：碰撞试验机的力传感器需在测试前24小时内通过溯源至国家计量标准的装置校准，误差≤1%；温度监测用的K型热电偶需校准温度范围（-50℃~500℃），误差≤0.5℃；电压电流监测仪需验证量程覆盖电池包总电压（如350V~450V），误差≤0.5%。

此外，需提前在电池包关键位置（如电芯极柱、电解液注液口、外壳薄弱区）粘贴标记点，用于后续三维扫描测量变形量；同时准备好应急设备——如干粉灭火器（用于扑灭初期火灾）、防毒面具（应对HF等有害气体），并在测试区域设置1.5米隔离带，避免无关人员进入。

碰撞场景的差异化设计与加载策略

碰撞场景需针对电池包的安装位置与车辆结构，覆盖典型的碰撞类型：正面碰撞（如GB 11551中的100%重叠刚性壁障碰撞）、侧面碰撞（如GB 20071中的移动壁障侧面碰撞）及尾部碰撞（如GB 17354中的追尾碰撞），不同场景对应不同的侵入方式与加载力方向。

以侧面碰撞为例，加载策略需模拟侧围部件（如门槛梁、B柱）对电池包的侵入：移动壁障的碰撞速度设定为50km/h（符合法规要求），壁障与电池包的接触区域需覆盖电池包侧面的2/3宽度，确保侵入力均匀作用于电芯阵列；加载力峰值需达到电池包耐撞极限的1.2倍（如设计耐撞力为100kN，则加载至120kN），以模拟极端侵入工况。

正面碰撞的加载速率需匹配真实场景：约为5m/s（对应车辆碰撞时的变形速率），加载方向与前纵梁侵入方向一致，重点测试电池包前部结构的抗挤压能力；尾部碰撞则因后围板强度较低，加载力峰值可略低（如80kN），但需增加“持续加载”环节——碰撞后保持加载力30秒，模拟追尾后车辆的持续挤压。

对于模块化电池包（如CTP或CTC结构），需额外监测模块间连接结构的受力：在模块连接处粘贴应变片，若应变超过材料屈服强度（如铝合金模块的屈服应变≥0.2%），则说明连接结构失效，可能引发模块移位，增加热扩散风险。

碰撞过程中的实时数据采集逻辑

碰撞过程中需同步采集四类关键数据，为后续热扩散分析提供基础：一是结构力学参数——通过力传感器记录碰撞力随时间的变化曲线（如力峰值、力上升时间），通过位移传感器测量电池包的最大侵入深度（精度≤0.1mm）；二是温度参数——用预埋在电芯表面的热电偶，每秒采集一次温度数据，覆盖碰撞前10秒至碰撞后30秒的时间窗口，捕捉碰撞瞬间的温度变化；三是电气参数——通过BMS的CAN总线实时传输总电压、单体电池电压及总电流数据，若某节电池电压骤降（如从3.7V降至0V），则说明该电芯发生短路；四是视觉数据——用高速摄像机（帧率≥1000fps）拍摄电池包变形过程，记录外壳破裂、电解液泄漏的时间点，画面需覆盖正、侧、顶部三个视角。

数据采集的同步性至关重要：力传感器、位移传感器与高速摄像机需通过同一触发信号启动，时间误差≤1ms，确保“力-位移-视觉”数据的对应关系——比如当力峰值出现时，高速摄像机需捕捉到对应位置的外壳变形，避免数据错位导致的分析误差。

对于高压部件（如正极母线），需使用绝缘型传感器采集电流数据，防止触电风险；温度传感器的预埋位置需避开冷却管道，选择电芯几何中心（距表面5mm处），此处最能反映电芯内部的温度变化。

碰撞后的即时外观与电气状态评估

碰撞结束后，首先需执行“断电-隔离”操作：切断电池包的高压回路（手动断开维修开关），并在周围设置1.5米隔离带。随后开展三方面即时检查：

一是外观损伤评估：用肉眼观察外壳是否有破裂、穿孔（穿孔直径≥5mm则判定为破损），变形区域是否有电解液泄漏（通过视觉检查结合电导率测试——泄漏液体电导率≥1000μS/cm则判定为电解液）；若外壳无明显破损但有液体渗出，需用pH试纸检测——锂离子电池电解液呈弱酸性（pH≈5），若试纸变红则进一步验证。

二是结构变形测量：用三维激光扫描仪扫描电池包外表面，生成点云数据与原始CAD模型对比，计算变形区域的最大侵入深度与体积变化——比如侧面碰撞时，侵入深度≥150mm说明触及电芯阵列；体积变化率≥20%则内部结构可能严重挤压。

三是电气状态核查：用高精度万用表测量总电压，若比碰撞前下降超过10%（如碰撞前380V，碰撞后<340V），则说明存在严重电气异常；逐个测量单体电池电压，若某节电池电压<2.5V（放电终止电压），则判定为该电芯短路或内部断路。

即时评估的核心是“定位风险源”——比如电解液泄漏对应外壳破损，单体电压骤降对应内部短路，这些都是后续热扩散的潜在触发条件，需标记为“高风险点”并重点监测。

热扩散监测的时间窗口与触发条件

碰撞后的热扩散具有“延迟性”，因此需设定72小时的监测窗口（符合GB 38031要求），覆盖延迟热失控的常见时间范围。

监测的触发条件需基于即时评估结果：对于已出现“高风险点”的电池包（如电解液泄漏、单体短路），需模拟“二次刺激”——用液压机对变形区域施加5kN的持续力（模拟碰撞后车辆的二次移位），或用电阻丝对短路电芯施加10A电流（模拟BMS失效后的过流），触发潜在热失控；对于未出现异常的电池包，仅需“自然放置”监测。

监测过程中，温度数据需“全时段覆盖”：用连续温度记录仪（采样率1次/分钟）监测电芯表面、外壳及环境温度，若某位置温度1小时内上升超过20℃（环境温度无变化），则启动“高频模式”——采样率提升至1次/秒，并用红外热像仪拍摄该区域。

此外，需设置“预警阈值”：当电芯表面温度达到60℃（SEI膜分解温度）时，测试人员进入“待命状态”；达到100℃时，启动气体分析仪监测CO、HF浓度，提前预判有害气体泄漏风险。

热扩散过程的动态参数追踪与分析

当热扩散发生（温度超过150℃且持续上升），需重点追踪四个动态参数：

一是温度上升速率：计算电芯表面温度从100℃升至200℃的时间——若≤10分钟，说明热失控速度快，连锁风险高；若>30分钟，则风险相对较低。

二是烟气成分与浓度：用气体分析仪每5分钟记录CO（阈值50ppm）、CO₂（阈值5000ppm）、HF（阈值5ppm）浓度——HF是电解液分解的特征产物，若≥5ppm需立即启动排风并佩戴防毒面具；CO≥50ppm则判定为“有害烟气泄漏”，需终止测试。

三是热失控传播路径：用红外热像仪拍摄热分布视频，观察热失控从“初始电芯”向相邻电芯的传播速度——若≥5cm/min，说明形成连锁反应；若<2cm/min，则可能是局部热失控。

四是内部压力：通过预埋的压力传感器监测压力变化——若压力≥100kPa或上升速率≥10kPa/min，说明外壳破裂风险极高，需提前撤离测试人员。

动态参数的分析需结合“因果链”——比如温度上升快且HF浓度高，说明热失控由电解液分解引发；若温度上升但HF浓度低，则可能是内部短路导致的纯放热反应。

热扩散判定的核心指标与边界界定

热扩散的判定需围绕“三要素”展开：触发原因、发生时间、影响范围，具体指标如下：

1、因果关联性：热扩散需由碰撞导致的内部损伤引发——比如碰撞变形挤压电芯造成短路，或电解液泄漏与金属部件反应放热；若由外部明火、误操作导致，则判定为“非电池自身热扩散”。

2、时间有效性：热扩散需发生在碰撞后72小时内——72小时后出现的热失控，通常与碰撞关联性较弱（如长期放置后的自放电），不纳入评估。

3、影响程度：满足以下任一条件即可判定“热扩散发生”：①至少两个相邻电芯表面温度≥200℃；②电池包外壳出现明火（需确认火源来自内部）；③烟气中HF浓度≥5ppm且持续≥10分钟。

而“符合安全要求”的判定标准是：碰撞后72小时内未发生热扩散；或热扩散发生但满足“延迟时间≥30分钟”（逃生时间）、“HF浓度<5ppm”、“温度上升速率<10℃/min”——这些指标构成了“可接受的风险”边界。

测试结果的交叉验证与异常排除

为确保判定准确，需通过“多维度数据交叉验证”排除异常：

若监测到温度上升但无电气异常，需检查温度传感器是否故障——更换传感器重新测量，或用红外热像仪对比；若温度上升伴随电压骤降，则结合高速摄像机画面，确认短路位置与碰撞变形方向一致，避免“传感器误报”。

对于“电解液泄漏”，需结合结构变形数据：若泄漏位置与碰撞侵入方向一致（如侧面碰撞导致侧面泄漏），且电导率符合电解液特征，则判定为“碰撞导致”；若泄漏位置在顶部（未受碰撞），则需检查电池包是否有出厂密封缺陷。

若出现“异常热扩散”（未触发高风险点却发生热失控），需回溯测试全程：检查电池包初始状态（是否真满电、有无隐藏损伤）、碰撞参数（加载力是否过大、方向是否偏差）、环境条件（温度是否过高），找出异常根源。

最后，所有数据需整理成报告，包含碰撞前状态、碰撞参数、即时评估结果、监测数据曲线、热扩散动态视频及判定结论，确保结果可追溯、可复现。