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
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
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、高温试验
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。
一般根据综合考虑，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，而南宫NG·28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。
质量监督检验中心介绍
上海南宫NG·28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，下设南宫NG·28、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，车用继南宫NG·28、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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