输出级底座综合环境劣化分析与可靠性寿命研究

杨静，李慧，李莹

（广电计量检测集团股份有限公司，广州 510656）

概述

电池模组及其组件是新能源电动汽车的重要组成部分，结构安全与可靠性很大程度地决定了电动汽车的优劣。除电池模组的安全性外，其组件的稳定性是决定电池模组寿命的关键[1]。电池模组引出极一端焊接在电芯上，一端通过输出极底座连接在端板上，输出极底座主要保护电池模组在运输与应用中的振动掉焊等失效。输出极底座配置的铜螺母，不具备缓冲结构，在热胀冷缩循环作用下易出现扭力衰减[2]。同时，输出极底座的材料为PA66+GF，这种复合材料的性能高度依赖于增强纤维和基体间的界面结构和性能，随着热氧老化与湿度因子不断水解的相互作用，其扭力与绝缘性能均会劣化[3]。

因此，本文研究输出极底座在受电池模组运行环境与车载综合环境影响下的劣化过程，分析其敏感应力与退化趋势。通过对综合应用环境的复现，观测长期试验的劣化过程，从而对其可靠性寿命进行研究，并将结果与预测数值进行对比验证。通过对输出极底座的劣化分析与可靠性寿命研究，明确产品的更换周期与检查项点，为生产加工与选材提供方向，提高产品可靠性。

1 理论分析

本文结合使用环境调研已有故障行为，确定螺母脱扣、松动、绝缘破坏、结构变形是主要失效表征[4]。其对应的故障机理为环境温度快速变化引起结构热胀冷缩，以及在湿度因子作用下的水解，从而导致结构变形、绝缘性能降低。由于此类材料在短期高温环境下分子链段进行重排，使得其不完善的结晶趋于完善，球晶尺寸变大，结晶度提高，这时其结构强度等物理性能会得到加强，因此试验中需要观察到性能参数曲线的拐点才可以停止。具体步骤为：

1）对输出极底座进行调研，包括：使用环境、装配关系与故障行为等；

2）对输出极底座材质进行详细分析，确定输出极底座的敏感应力；根据TGA 分析与单一温湿度条件下老化的测试结果，选择合适的温度与湿度条件；

3）结合输出极底座使用工况，对输出极底座实施综合应力可靠性寿命试验。

2 试验方案与设计

为研究单一温度对其性能的影响，采用95 ℃，110 ℃，125 ℃三个温度进行热空气老化试验，通过热空气老化后其物理性能和电性能的下降趋势，分析单一温度对材料的性能影响。试验过程中性能变化趋势如图1 所示。

图1 单一温度下性能变化趋势

观察到力矩和击穿电压表现出先增大后下降的趋势。这是由于尼龙材料的分子链段在单温度作用下进行重排，使得其不完善的结晶趋于完善，球晶尺寸变大，结晶度提高。这时结晶对材料力矩和击穿电压的影响远大于热氧老化带来的降低作用，因此力矩和击穿电压表现出增大的趋势。之后，随着老化时间的延长，尼龙材料的结晶过程趋于稳定，热氧老化带来的负面作用逐渐显现，其力矩和击穿电压表现出下降趋势。

为研究单一湿度对其性能的影响，采用采用125 ℃，52 %RH 和125 ℃，95 %RH 进行高温蒸煮老化试验，研究在相同温度下，不同湿度变化下其物理性能和电性能的下降趋势，分析单一湿度对材料性能的影响。试验过程中性能变化趋势如图2 所示。

图2 单一湿度下性能变化趋势

试验中在低湿状态下（相对湿度低于52 %），绝缘电阻也是大部分都超出设备量程，无明显的变化趋势，泄露电流在一个小的区域范围内变化，也没有明显的变化趋势；但当湿度提高到95 %后，绝缘电阻和泄露电流均呈现出增加趋势；在低湿状态下（相对湿度低于52 %），力矩和击穿电压呈现出降低趋势，但相对于常态，降低幅度不大，但在湿度提高到75 %后，力矩和击穿电压呈现出明显变化，随着时间的延长，表现出下降趋势。说明当湿度增大时，湿度的水解作用带来的影响远大于温度的重结晶影响。因此当温度相同的情况下，湿度越高，材料水解作用越明显，对应的物理性能和电性能变化趋势越大。

因此，基于单一温度与湿度的特征表现，设计综合应力加速寿命试验，选择85 ℃70 %RH、85 ℃95 %RH、90 ℃95 %RH，三个试验量级进行为期168 h的测试，观察试验结果如图3 所示。

图3 温湿度综合应力下性能变化趋势

试验参考老化模型存在很多不同的模型，例如Peck、Lawson、Klinger 等，其 中Peck（也 称 为Power Law）模型应用最为广泛，而不同模型之间的差异较大，Peck 模型是艾琳模型的一种，用来针对湿度加速试验进行寿命计算，此模型通常和温度加速的阿伦尼斯模型一同使用。

完整的Peck 模型是温度与湿度的双应力模型，假设温度和湿度所导致的失效机理是相互独立的，所以可以直接对温度和湿度的加速模型相乘来获得温度与湿度的双应力加速模型，具体公式如下：

其中：

AF—加速条件相对于使用环境的加速因子；

AFH—湿度加速因子；

AFT—温度加速因子；

n—未知模型参数，推荐取值为1～5；

Hu—使用环境相对湿度，单位%；

HA—加速试验相对湿度，单位%；

Ea—化学反应活化能，单位J·mol-1；

R—理想气体常数8.314 J·K-1mol-1；

Tu—使用环境的绝对温度，单位开尔文（K）；

TA—加速试验的绝对温度，单位开尔文（K）[5]。

利用热重法可以获得化学反应活化能[6]，TGA 测试结果如图4 所示，激活能拟合结果为143.29 kJ·mol-1。

图4 TGA 测试结果

破坏力矩实际服役工况下的阙值为12 N·m，击穿电压实际服役工况下的阙值为2.5 kV，对击穿电压变化趋势进行拟合，可以得知85 ℃70 %RH 条件下约2 214 h 达到失效阙值，85 ℃95 %RH 条件下约850 h 达到失效阙值，90 ℃95 %RH条件下约483 h达到失效阙值，拟合曲线如图5 所示。由失效阙值时间也可以获得：

图5 击穿电压拟合曲线

1）90 ℃95 %RH 相对于85 ℃95 %RH 的加速系数为1.76；

2）85 ℃95 %RH 相对于85 ℃70 %RH 的加速系数为2.6。

将上述两个结果分别代入各自的Peck 模型中，可以求得未知模型参数n=3.13，激活能Ea=122.14 kJ·mol-1，与理论结果要求范围重合度较高。因此可以获得最终的Peck 模型，将实际不同使用或贮存环境条件代入后，便可以获得输出极底座的可靠性寿命。

3 结论

在温度湿度的综合作用，输出极底座的破坏力矩和击穿电压均表现出随时间的增加逐渐减小的趋势，且在相同温度下增加湿度或在相同湿度下增加温度，其破坏力矩和击穿电压均表现出下降趋势，进一步可说明在湿度存在情况下，湿度带来的水解作用影响远大于温度的重结晶影响。试验中得到的实际数值与通过Perk 模型与热重法得到的理论数值具有较高重合度，因此可以获得输出极底座在贮存或工作环境下的可靠性寿命。