Dynamic response characteristics of soft-pack lithium batteries for light-weight consumer drones under mechanical strong impact loads
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摘要: 为研究轻型消费级无人机锂离子电池在高能量冲击下的动响应模式及爆炸着火特性，评估锂离子电池在动态冲击时的安全性能，以某轻型消费级无人机软包锂离子电池为研究对象，采用落锤冲击及气炮冲击实验方法，结合轻型无人机实际应用场景，分别开展了软包电池组落锤冲击及电池高速冲击铝板测试实验，探讨了不同电池电量的软包电池组在受冲击后的变形模式及着火情况，结合电池的机械变形响应及其着火演化特性分析了软包锂离子电池的冲击安全性。研究结果表明，轻型消费级无人机软包锂离子电池在常规电池外壳防护条件下受面外方向载荷冲击后的着火风险高于面内方向载荷冲击后的着火风险；锂离子电池着火风险与电池电量、冲击速度等具有明显相关性，锂离子电池本身的力学响应主要受自身材料及结构的影响，电池电量并不会影响电池的机械力学碰撞响应；本研究中所采用的锂离子电池样品在电池电量为 100% 时以 50 m/s 的速度撞击铝板，以及电池电量为 50% 以下时以 85 m/s 的速度撞击铝板后的燃烧风险均相对较低。Abstract: This paper takes the soft-package lithium-ion batteries as the research objects to study the dynamic response modes and explosion ignition characteristics of lithium-ion batteries used in light-weight and small consumer unmanned aerial vehicles (UAVs) under high-energy impact and evaluate the safety performances of lithium batteries under dynamic impact. The drop hammer and gas gun were used to carry out the drop-hammer impact of the soft-package battery pack and the high-speed impact of the battery on the aluminum plate. The deformation modes and ignition characteristics of the soft-package lithium-ion batteries under different battery powers after impact were studied. Based on the mechanical deformation response and ignition characteristics of the batteries, the impact safety of small soft-package lithium-ion batteries was analyzed. The results show that the ignition risk of small soft-package lithium-ion batteries under conventional battery shell protection after being impacted by loads in the out-of-plane direction is much higher than that impacted in the in-plane direction. The ignition risk of lithium-ion batteries is related to battery power and impact velocity. The thickness of the impacted aluminum plate has little effect on the ignition risk of lithium-ion batteries. The lithium-ion battery samples used in this study all have a relatively low risk of combustion after impacting the aluminum plate at the velocity of 50 m/s with the state of charge of 100%, and at the velocity of 85 m/s with the states of charge of less than 50%, respectively.
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低空经济作为一项战略性新兴产业，正逐渐成为我国新质生产力的代表，其中民用无人机是低空经济的先行者。近些年涌现出了一批无人机全球龙头企业，使得我国具备了低空经济产业的全球竞争优势。无人机中，以空机质量不超过4 kg、最大起飞质量不超过7 kg、最大平飞速度不超过100 km/h的轻型消费级无人机占据了民用无人机市场显著份额，轻型消费级无人机在个人娱乐、安防等领域的成功应用进一步促进了其蓬勃发展[1-3]。
尽管民用无人机给诸多行业带来了便利，但由于其飞行高度低、速度快和上手门槛低等特点，因此也有可能带来不可忽视的公共安全风险。特别是轻型消费级无人机，大多应用于城市环境，其应用场景通常人口密度较大，可能会产生较高的人员和财产安全风险[4-6]。郭亚周等[7]研究发现，无人机在高能量碰撞冲击场景下，其碰撞后果的严重性主要由电池、电机、摄像头等集中质量决定，而其中电池所造成的安全风险最高。几乎所有的轻型消费级无人机动力能源系统均为锂离子电池，该电池虽然具有体积小、能量密度高等优点，但是在使用中其安全性问题较突出，主要是由热冲击、短路、外部机械载荷等因素造成热失控而引起的燃烧爆炸等。当锂离子电池受到外部机械因素影响时，破损部位从内部易发生短路，导致内部产生大量的热，从而导致热失控[8-10]。诸如无人机在自身运输过程中，可能受到外部的挤压和碰撞，引起电池失效发生热失控，这种场 景下电池所受的机械载荷多为面外的挤压载荷。另外，无人机在自身操作飞行过程中也有可能发生碰撞事故，碰撞事故可分为2类：第1类是无人机飞行过程中在航向方向上与其他物体发生撞击，根据目前主流轻型消费级无人机锂离子电池的安装方式可知，这类场景下电池所受的机械载荷多为面内的冲击挤压载荷；第2类是无人机跌落与地面发生碰撞，这类场景下电池既可能受到面外载荷也可能受到面内载荷。以上无人机锂离子电池碰撞事故均有可能造成严重后果，因此，研究锂离子电池的安全问题，结合无人机应用场景既要研究其在面外载荷下的冲击安全性又要研究面内载荷的影响。
目前，轻型消费级无人机常用的电动能源系统为软包锂离子电池模组，学者们对软包锂离子电池的机械冲击安全性开展了广泛研究。Jia等[11]通过开展压缩实验和落锤实验，研究了软包锂离子电池在动态载荷作用下的力学机械与电化学耦合失效行为，发现电池组件的机械变形和材料失效共同决定了电池在受到冲击后的响应模式。Zhu等[12]开展了完全约束下的面内压缩、填充泡沫边界面内压缩、圆形冲头面内压痕等3种不同类型的实验，考察了锂离子电池在平面压缩下的变形模式，定量分析了电池受到的载荷及其应力-应变响应，阐释了电池在平面压缩下的渐进折叠机制。Pan等[13]借助实验和数值分析方法，探讨了软包锂离子电池在冲击载荷下的变形破坏和失效过程，建立了精细化的锂离子电池有限元模型，研究了冲击载荷下锂离子电池内部的短路机理，分析了电池单元内部材料的动态变形过程。Zhu等[14]建立了软包锂离子电池的精细化有限元模型，通过对集中典型载荷工况的数值模拟，摸清了锂离子电池在受到外部载荷时其内部结构的变形形式和失效顺序，发现电池单体的破坏过程分为2个典型的阶段。Chen等[15]利用落锤试验机，分别采用圆形压头和平形压头开展实验，比较了这2种不同形状的压头对软包锂离子电池冲击损伤的差异性，讨论了加载速度和电池充电状态对电池性能的影响。Zhang等[16]研究了18650型圆柱形锂离子电池外壳在不同加载方式下的塑性变形和断裂形式，发现在某些加载方式下，电池外壳的变形模式与电池整体的变形模式很相似，说明外壳在某些加载方式下起到了主要抵抗变形的作用。而Wierzbicki等[17]在对18650型圆柱形单体锂离子电池进行局部冲击破坏时，发现电池内芯起主要的承载作用，电池外壳和端帽只起辅助作用。Sahraei等[18]建立了圆柱形锂离子电池模型，对电池包的冲击响应进行了仿真分析，发现在冲击过程中电池最容易受到损坏的部位是电池之间的连接处。Li等[19-21]和Zhou等[22]研究了锂离子电池的隔膜材料和电池的各电极材料在动态加载下的应变率损伤效应及失效行为，同时基于多场分析方法，研究了锂离子电池在机械滥用条件下的内短路和热失控行为机理及其机械-电化学耦合损伤失效情况，解释了机械载荷作用下电池的电化学退化机制。2017年，Olivares[23]指出，无人机电池作为不稳定部件，在受到飞机撞击后存在极大的爆炸或燃烧风险，同时也划分了锂离子电池3层级的着火风险等级。郭亚周等[24]基于落锤冲击实验方法，开展了无人机用软包锂离子电池在冲击载荷下的实验测试，对比了不同电量电池单体的冲击安全性，分析了不同冲击速度/能量下电池内部电压及温度的变化。Meng等[25]研究了飞机前缘结构与无人机之间的碰撞安全性，发现飞机前缘结构在与无人机撞击时，无人机锂离子电池作为潜在的着火危险源，对飞机的飞行安全造成严重威胁。刘新华等[26]开展了落锤冲击无人机锂离子电池的实验，研究了不同落锤能量下锂离子电池损伤的严重性，初步揭示了机械冲击载荷诱发锂离子电池包热失控的电化学响应规律。
综上所述，轻型消费级无人机运行场景复杂，特别是当无人机与地面车辆或其他飞行器高速撞击时，瞬时的高能量冲击会导致锂离子电池极有可能发生爆炸或燃烧。当前，有关软包锂离子电池动态冲击的研究更多的是基于标准实验方法开展的准静态或低速、低能量冲击测试与分析，针对无人机碰撞场景下的高速、高能量冲击研究则较少。基于此，本文中利用落锤冲击装置和高速气炮，对软包锂离子电池开展面内和面外高能冲击实验，研究不同冲击载荷形式下锂离子电池的碰撞响应，分析不同电量的锂离子电池在高速冲击下的着火特性，基于高速摄像系统观察软包锂离子电池在高速撞击下的变形响应，探究典型无人机软包锂离子电池在不同撞击速度下的响应差异性，以期为软包锂离子电池的安全防护提供数据支撑。
1. 试 件
选用某款轻型消费级无人机锂离子电池为试件，如图1所示，该锂离子电池包括聚碳酸酯塑料外壳、4个袋装软包锂离子电池单体串联而成的电池组以及内部一些其他电路板等部件，其中软包电池单体主要由多种材料复合轧制而成的堆叠结构、电解液以及铝制复合外包膜组成，堆叠结构主要由阳极、阴极以及隔膜组成，阴极由涂覆有活性材料的铝箔构成，阳极由涂覆有石墨的铜箔构成，隔膜是微孔聚丙烯材料。所选的电池试件基本性能如表1所示。如图1(a)中坐标系所示，电池采用面内和面外2种加载方式，其中载荷在x方向上加载传递则为面内加载方式，在z方向上加载传递则为面外加载方式。
表 1 实验用锂离子电池参数Table 1. Parameters of lithium-ion batteries used in experiments电池类型 标称电压/V 充电限制电压/V 尺寸 质量/g 电池单体 3.85 4.40 65.0 mm×45.0 mm×8.5 mm 61.5 整颗电池 15.40 17.60 97.0 mm×60.0 mm×43.0 mm 294.0 2. 实验装置
2.1 落锤冲击实验装置
采用落锤冲击实验装置，对软包锂离子电池开展面内冲击压缩实验，落锤冲击实验装置如图2所示，g为重力加速度。实验中用到的主要设备有锂离子电池实验件、落锤机构、电磁锁、测力平台（载荷传感器）、高速摄像机等，其中落锤机构包括吊篮、配重块和压头，吊篮和压头总质量为21.17 kg，配重块质量为10 kg。
锂离子电池面内冲击压缩实验的测试项目主要包括冲击载荷、锂离子电池宏观变形响应、着火爆炸响应等。冲击载荷由测力平台的载荷传感器测量，传感器采样率为10 kHz；冲击能量和冲击速度由落锤机构的质量和落锤机构的初始下落高度决定，采用保持落锤机构质量不变、改变落锤机构下落高度的方式来调整冲击能量。实验过程中，将锂离子电池试件放置在测力平台上，并调整位置使压头对准锂离子电池中间位置，再由电磁起吊装置将落锤机构提升至目标高度。各个系统准备完毕后，由电磁锁释放落锤机构，自由落体跌落撞击电池实验件，同步触发各测试子系统，并在落锤完全静止后结束本次实验。面外冲击实验中高速摄像机设定拍摄频率为
2000 Hz，实验测试工况如表2所示。表 2 面外落锤冲击实验工况Table 2. Conditions for out-of-plane drop-weight impact experiments试件 电池充电状态/% 冲击能量/J 整颗电池D1 0 200 整颗电池D2 50 200 整颗电池D3 100 200 2.2 高速气炮冲击实验装置
基于高速气炮装置开展软包锂离子电池面内冲击实验，高速气炮冲击实验装置如图3所示。高速气炮冲击实验装置主要由储气罐、发射装置、控制系统、激光测速系统、高速摄像系统、数据记录仪等设备构成。如图4所示，实验过程中锂离子电池放置在经过设计制备的弹托内，锂离子电池速度由储气罐内的气压控制，由发射装置发射锂离子电池，锂离子电池发射后撞击在铝板上。铝板被安装在电池防爆燃防护箱内，在铝板背部撞击点附近径向和横向共布置6个应变片（#1~#6），如图5所示。面内冲击实验中，高速摄像机设定拍摄频率为
2000 Hz，实验测试工况如表3所示。表 3 面内气炮冲击实验工况Table 3. Conditions for in-plane gas gun impact experiments试件 充电状态/% 铝板厚度/mm 冲击能量/J 冲击速度/(m∙s−1) 整颗电池D4 0 5.0 1 062 85 整颗电池D5 50 5.0 1 062 85 整颗电池D6 100 5.0 1 062 85 整颗电池D7 100 2.0 201 37 整颗电池D8 100 2.0 368 50 整颗电池D9 100 2.0 529 60 整颗电池D10 100 2.0 1 062 85 3. 实验结果及分析
3.1 面内冲击与面外冲击变形响应的差异
为研究锂离子电池面内冲击和面外冲击的差异，选取充电状态为100%的带外壳整颗电池分别开展了落锤冲击和气炮冲击实验，其中气炮冲击实验速度为37 m/s，冲击对象为2.0 mm厚的铝板，折合冲击能量为201 J，落锤冲击实验能量设定为200 J，两者冲击能量可近似看作一致。
对于锂离子电池面外冲击，锂离子电池受落锤面外冲击变形响应过程见图6，面内气炮冲击实验响应过程见图7，可以看出，当冲击能量为200 J时，面外与面内冲击响应时间基本一致，均在10 ms左右，两者撞击响应过程则具有一定的差异性。
图 6 面外落锤冲击实验锂离子电池变形响应过程Figure 6. Deformation response process of in out-of-plane drop-weight experiment
图 7 面内气炮冲击实验锂离子电池变形响应过程Figure 7. Deformation response process of in in-plane gas gun impact experiment撞击初始阶段，面内冲击落锤冲头接触锂离子电池上半部壳体，面外气炮冲击锂离子电池头部开始接触被撞击铝板；撞击2.5 ms时，面外落锤撞击锂离子电池上部外壳，上半部外壳与下半部外壳迅速脱扣，上半部电池壳两端开始发生翘曲。与面外落锤冲击相比，该时刻下面内气炮冲击下锂离子电池撞击铝板，铝板被撞击部位迅速发生塑性变形后形成凹坑，铝电池在撞击瞬间前端上下外壳脱扣，上下壳同时发生塑性变形，并且相互之间开始从上下相反方向做分离运动。
撞击5.0 ms时，面外冲击落锤继续向下运动，锂离子电池上半部外壳在受到撞击位置发生翘曲开裂破坏，从落锤下降位置可以看出，锂离子电池内部4个电池单体最上部分单体由于落锤冲击挤压作用开始发生破坏，落锤冲击期间有粉末物质溅出。该时刻下，面内气炮冲击锂离子电池持续撞击铝板，被撞击铝板变形量进一步变大，锂离子电池上半部外壳与下半部外壳在冲击方向上持续脱扣，上半部外壳向上翘曲发生塑性变形，此时可以看到锂离子电池内部单体，由于锂离子电池前端有连接4个单体的电路板，同时电路板与前部外壳之间存有空隙，因此，此时虽然外壳发生明显变形，但是电池单体并未与面板相撞。
撞击7.5 ms时，面外冲击落锤能量仍未被完全吸收，持续向下撞击，此时电池外壳断裂长度增大，电池外壳继续发生翘曲，此时最上层电池单体完全被挤压破坏，落锤开始与第2层电池单体接触，冲击过程中持续有粉末物质溅出。该时刻下，面内气炮冲击锂离子电池变形继续变大，上半部外壳与下半部外壳开口增大，此时外壳与电池内部电路板之间空隙被压实，4个单体开始在面内方向上撞击铝板。
撞击10.0 ms时，面内冲击落锤达到最低点位置，锂离子电池上半部外壳达到最大变形，外壳两侧几乎完全断裂，上半部分外壳发生严重弯曲变形，此时第2层电池单体逐渐开始发生破坏，落锤冲击基本结束，锤头开始发生反弹。此时面内冲击气炮的能量被完全吸收，锂离子电池发生最大程度变形，上半部外壳与下半部外壳完全脱扣，开始逐渐分离，此时4个电池单体发生了部分挤压变形，但总体变形量不大。
图8(a)给出了100%充电状态电池在200 J能量冲击后的整体形貌，从图6(e)可知，当落锤冲击发生10 ms后，电池单体内部发生化学反应，开始有烟雾从电池内部冒出，随后电池内部反应愈发剧烈，逐渐有明火产生，火花携带大量粉末状物质从内部喷出后电池开始发生剧烈燃烧，最后完全烧毁。图8(b)给出了面内气炮冲击后电池的形貌，可以看出，无人机锂离子电池上半部壳体受撞击后与下半部壳体完全分离，下半部壳体发生弹性变形后恢复，电池包上部2颗电池单体由于撞击作用的影响与下部电池单体脱粘，电池单体与电路板之间的连接尚完好，电池单体的撞击端发生明显变形，但是整颗电池整体完好，电池有轻微发热，被撞铝板变形相对较小，铝板结构上没有残留黑色物质，电池在撞击过程中没有物质泄露。
图 8 100%充电状态电池在200 J冲击后的形貌Figure 8. Morphologies of batteries with 100% state of charge after impact of 200 J综上所述，当锂离子电池分别承受面内冲击和面外冲击时，面外落锤冲击时整个过程中撞击端外壳卡扣、自身塑性变形以及电池单体的挤压变形作为主要的能量吸收单元，能量大部分被撞击端电池单体所吸收，电池单体在外部铝封皮破损后，电池电解液从内部流出，短时间内电池逐渐冒烟，热量在电池内部积聚，造成电池内部热量逐步升高，发生热失稳后活性材料燃烧，进而电池发生爆燃；面内气炮冲击时，由于一般在面内方向上电池单体连接电路板与电池外壳之间有一定的空间，因此当电池在高速撞击到被撞物时，大部分能量都被外壳变形所吸收，而正是因为电池单体与外壳之间间距的存在，使得冲击能量能够获得较大缓冲，缓冲后4个电池单体同时承受面内载荷，尽管有一定的挤压，但是并未发生着火。因此，当锂离子电池承受面外冲击载荷时，着火风险高于面内冲击。
3.2 电量对锂离子电池力学响应特性的影响
选取3种不同充电状态的整颗电池分别开展了落锤冲击实验和气炮冲击实验，电池的充电状态分别为0%、50%和100%，落锤能量均为200 J，气炮冲击速度为85 m/s，折算冲击能量为
1062 J。面外落锤冲击场景下不同电量电池撞击后的变形和失效响应如图9所示，面内气炮冲击场景下不同电量电池撞击后的变形和失效响应如图10所示。
图 9 面外落锤冲击下不同电量电池受碰撞后的形貌Figure 9. Morphologies of batteries with different states of charge under out-of-plane drop-hammer impact
图 10 面内气炮冲击条件下电池受碰撞后的形貌Figure 10. Morphologies of batteries with different states of charge under in-plane gas-gun impact在冲击能量为200 J的面外落锤冲击实验中，电量为0%的电池并未发生爆炸、燃烧等相应的电化学行为，仅伴随有刺鼻性气味；电量为50%的电池则在撞击后迅速冒烟，但是后续并未造成电池着火；电量为100%的电池在受撞击后快速冒烟并伴有明火出现，热量进一步积聚后，内部活性材料以火苗状被喷出电池外，进而导致电池迅速着火，电池着火之后内部4个电池单体以及电池上下壳均被焚毁，损坏极为严重。不同电量电池在200 J能量落锤冲击下的冲击力随时间的变化如图11所示。从载荷响应模式上来看，整颗电池在受到落锤撞击后，撞击载荷主要呈现“驼峰式”响应，这是由于整颗电池不仅包括电池单体，同时还包括电池壳体。当落锤接触电池上壳时，撞击载荷开始响应，此时逐渐形成第1个撞击载荷峰值，随着落锤继续向下运动，电池上壳自身结构以及与下壳之间的连接关系被破坏，电池上壳失去承载能力，导致了撞击载荷下降，随后落锤继续撞击至内部堆叠的电池单体，进而形成第2个撞击载荷峰值，并最终呈现出“驼峰式”载荷响应状态。不同电量的电池在受到相同能量的撞击后，其撞击力的变化趋势及其峰值都具有较好的一致性。
图 11 不同电量电池受落锤撞击力随时间的变化Figure 11. Impact force of punch on batteries with different states of charge varying with time在85 m/s冲击速度的面内气炮冲击实验中，电池芯发生了巨大的变形，但是并没有出现明显的燃烧现象。由于铝板较厚，铝板未产生明显肉眼可见的变形，但是铝板上有大量残留的黑色物质，说明电池在碰撞的时候有物质泄漏，电池外壳在撞击后呈现花瓣式分裂破坏，吸收大量能量，电量为0%的电池内部几乎没有活性化学物质，所以电池内部并没有发生短路，电池也没有产生发热现象；电量为50%的电池在冲击过程中的响应则与电量为0%的电池类似，电池壳体在撞击过程中被完全损毁，但是由于电池电量不足，电池内部的化学物质不足以使电池发生燃烧反应，但电池单体表面的温度明显升高，电池整体处于电化学不稳定状态；电量为100%的电池在撞击过程中被破坏成几片后迅速产生冒烟着火的现象，用灭火毯掩盖但并未降低火势，电池仍剧烈燃烧，燃烧后的电池呈黑色焦炭状。不同电量的电池撞击铝板后典型部位的应变曲线对比如图12所示，可以看出，3种电量的电池在相同撞击工况下的动态力学响应基本一致。
图 12 不同电量电池气炮冲击铝板典型部位应变Figure 12. Typical strain of aluminum plate impacted by gas-gun impact of batteries with different states of charge综上所述，锂离子电池电量与其碰撞着火特性具有强相关关系，锂离子电池本身的力学响应受自身材料及结构特征影响，电池电量不会影响电池的机械力学碰撞响应情况。本文中所采用的50%电量锂离子电池在以85 m/s速度撞击5.0 mm厚铝板时发生起火爆炸的概率较低。
3.3 冲击速度对锂离子电池着火特性的影响
选取3种不同冲击速度分别进行了100%电量电池气炮冲击实验，冲击速度分别为50、60和85 m/s，电池在不同速度气炮冲击下的碰撞响应情况如图13所示，不同速度气炮冲击下铝板的碰撞响应情况如图14所示。
图 13 不同速度电池撞击2.0 mm厚铝板后的形貌Figure 13. Morphologies of batteries impacting 2.0-mm-thickness aluminum plate at different velocities
图 14 2.0 mm厚铝板受不同速度电池撞击后的形貌Figure 14. Morphologies of 2.0-mm-thickness aluminum plate to battery impact at different velocities从图13可以看出，当电池以50 m/s的速度撞击铝板时，电池整体在撞击后首先发生上下外壳脱扣，上层电池单体脱粘飞出，产生较大变形，电池外壳在受撞击后发生塑性变形，电池外形整体保持相对完好，并未产生爆燃现象。当电池以60 m/s的速度撞击铝板时，电池首先分裂成几个部分，发生严重破坏后电池内部化学物质发生剧烈的电化学反应，进而急速冒烟起火并伴之有爆燃，电池外壳少部分被烧毁，大量电池芯裸露在外，底部电池单体尚能看出完整电池形态。当电池以85 m/s的速度撞击铝板时，电池解体破碎后迅速燃烧，4颗电池单体均着火严重，电池单体外裹壳体全部被烧毁。
从图14可以看出，当电池以50 m/s的速度撞击2.0 mm厚的铝板时，铝板上并未有黑色物质，表明电池虽然在撞击后发生解体，但是电池单体外部的铝包膜并未受到损坏，电池整体相对完好，且铝板凹坑水平最大宽度为69.0 mm，铝板变形相对较小；当电池以60 m/s的速度撞击铝板时，铝板上残留有黑色电解物质，铝板变形区域面积进一步增大，撞击中心凹坑水平最大宽度为144.0 mm；当电池以85 m/s的速度撞击铝板时，铝板上残留更多黑色电解物质，电池单体在撞击过程中即发生破裂，铝板在固支边范围内发生整体塑性变形，整块铝板被撞击成拱状，撞击中心凹坑水平最大宽度进一步增大为170.0 mm。
2.0 mm厚的铝板受不同速度的电池撞击后，应变片#1测得的应变数据如图15所示。可以看出，当电池撞击2.0 mm厚的铝板后，85 m/s撞击下应变片#1测得的应变峰值为
3302.7 ，60 m/s撞击下对应应变片位置的应变峰值为3063.3 ，50 m/s撞击下对应变片位置的应变峰值为1458.2 。由以上分析可以看出，在锂离子电池气炮冲击实验中，60 m/s速度撞击能量是50 m/s速度撞击的1.44倍，撞击结果显示，60 m/s速度撞击凹坑尺寸是50 m/s撞击工况的2.09倍，典型部位应变是50 m/s撞击工况的2.10倍；85 m/s速度撞击能量是50 m/s速度撞击的2.89倍，撞击结果显示，85 m/s速度撞击凹坑水平最大宽度是50 m/s撞击工况的2.46倍，典型部位应变则是50 m/s撞击工况的2.26倍。除此之外，当电池电量为100%时，本文中所选择的轻型无人机锂离子电池以50 m/s撞击2.0 mm厚的铝板后燃烧风险相对较低。
图 15 在电池不同速度的撞击下铝板受撞击典型部位应变随时间的变化Figure 15. Strain-time curves of typical parts at aluminum plates impacted by batteries at different velocities4. 结 论
利用落锤冲击装置和高速气炮，开展了软包锂离子电池在高能量加载下的面内和面外冲击实验，研究了不同冲击载荷形式下锂离子电池碰撞响应的差异，分析了不同电量锂离子电池在高速冲击下的着火特性，基于高速摄像系统观察了软包锂离子电池在高速撞击下的变形模式，探索了典型无人机软包锂离子电池在不同冲击速度下的撞击安全性，得到了如下主要结论。
(1)锂离子电池承受面外冲击载荷时着火风险远高于面内冲击，适当提高电池外壳的强度及增大外壳与电池单体之间的空间距离能够降低锂离子电池受撞击着火风险。
(2)锂离子电池碰撞着火特性与其电量具有强相关关系，锂离子电池本身的力学响应主要受自身材料及结构影响，电池电量并不会影响电池的机械力学碰撞响应。
(3)本文中所采用的锂离子电池样本在电池电量为100%时以50 m/s的速度撞击铝板以及电池电量为50%以下时以85 m/s速度撞击铝板后燃烧风险均相对较低。
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图 6 面外落锤冲击实验锂离子电池变形响应过程
Figure 6. Deformation response process of in out-of-plane drop-weight experiment
图 7 面内气炮冲击实验锂离子电池变形响应过程
Figure 7. Deformation response process of in in-plane gas gun impact experiment
图 8 100%充电状态电池在200 J冲击后的形貌
Figure 8. Morphologies of batteries with 100% state of charge after impact of 200 J
图 9 面外落锤冲击下不同电量电池受碰撞后的形貌
Figure 9. Morphologies of batteries with different states of charge under out-of-plane drop-hammer impact
图 10 面内气炮冲击条件下电池受碰撞后的形貌
Figure 10. Morphologies of batteries with different states of charge under in-plane gas-gun impact
图 11 不同电量电池受落锤撞击力随时间的变化
Figure 11. Impact force of punch on batteries with different states of charge varying with time
图 12 不同电量电池气炮冲击铝板典型部位应变
Figure 12. Typical strain of aluminum plate impacted by gas-gun impact of batteries with different states of charge
图 13 不同速度电池撞击2.0 mm厚铝板后的形貌
Figure 13. Morphologies of batteries impacting 2.0-mm-thickness aluminum plate at different velocities
图 14 2.0 mm厚铝板受不同速度电池撞击后的形貌
Figure 14. Morphologies of 2.0-mm-thickness aluminum plate to battery impact at different velocities
图 15 在电池不同速度的撞击下铝板受撞击典型部位应变随时间的变化
Figure 15. Strain-time curves of typical parts at aluminum plates impacted by batteries at different velocities
表 1 实验用锂离子电池参数
Table 1. Parameters of lithium-ion batteries used in experiments
电池类型 标称电压/V 充电限制电压/V 尺寸 质量/g 电池单体 3.85 4.40 65.0 mm×45.0 mm×8.5 mm 61.5 整颗电池 15.40 17.60 97.0 mm×60.0 mm×43.0 mm 294.0 
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表 2 面外落锤冲击实验工况
Table 2. Conditions for out-of-plane drop-weight impact experiments
试件 电池充电状态/% 冲击能量/J 整颗电池D1 0 200 整颗电池D2 50 200 整颗电池D3 100 200
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表 3 面内气炮冲击实验工况
Table 3. Conditions for in-plane gas gun impact experiments
试件 充电状态/% 铝板厚度/mm 冲击能量/J 冲击速度/(m∙s−1) 整颗电池D4 0 5.0 1 062 85 整颗电池D5 50 5.0 1 062 85 整颗电池D6 100 5.0 1 062 85 整颗电池D7 100 2.0 201 37 整颗电池D8 100 2.0 368 50 整颗电池D9 100 2.0 529 60 整颗电池D10 100 2.0 1 062 85
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