一种无人机电池老化后高速冲击试验方法与流程

1.本发明涉及一种无人机电池老化后高速冲击试验方法，属于电池安全领域。


背景技术：

2.近年来，随着全球环境逐渐恶化，环境保护与能源安全问题受到广泛关注，世界各国均将新能源汽车作为重点发展的方向和产业。发展电动汽车可以减少石油消耗、降低二氧化碳的排放并促进能源转型和汽车工业的升级。锂离子电池由于具有额定电压高、比能量高、循环寿命长、对环境污染小的优势，目前广泛应用于消费电子产品如无人机以及电动汽车。
3.在全生命周期中，锂离子电池的健康状态(soh)与荷电状态(soc)，对电池的机械性能都有一定的影响。因此，如果想准确评价无人机受高速冲击后电池的服役状态，是否能够继续使用，不能简单的认为其机械性能不变，而需要考虑工况老化以及荷电状态对于电池机械性能的影响。
4.无人机在空中的飞行姿态一般为悬停，大功率起降，巡航等等，根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，民用无人机的垂直飞行空域一般在120米以内。在这样的飞行空域中，有时会发生无人机与起降的航空器相撞的情况。一般来说，这样相撞对无人机会产生不可逆的机械损伤，其中储能元件，及锂离子电池模组因此会遭受严重的机械外力作用。这样的瞬时高速冲击，可能会导致电池模组的机械形变，甚至是出现爆炸的严重后果。在无人机以及电池遭受撞击后，电池是否能够继续使用，是否需要报废处理，需要相应的评价标准。
5.目前，关于普通锂离子电池的机械性能试验方法已经被工业界广泛采用，但基本只用于新电池的安全性评估，而电池在使用过程中，其安全性能会随老化程度发生变化，无人机所搭载的锂离子电池模组所经历的工作工况，较普通的恒流工况有较大区别，包括了悬停，大功率起降等工作姿态。而目前工业界缺乏对无人机工况的统一定义，对于无人机电池在不同的soh以及soc遭受高速撞击后是否能继续工作，也缺少相应的试验方法。
6.因此，工业界迫切需要一种模拟了无人机特殊工作状态的老化路径，以及经历了该工况老化后的无人机电池高速冲击试验方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种无人机电池老化后高速冲击试验方法，以研究无人机电池在全生命周期内遭受高速冲击后的对电池的损伤，对无人机电池在全生命周期内安全性进行评估。
8.本发明的技术方案如下：
9.一种无人机电池老化后高速冲击试验方法，包括以下步骤：
10.对于新鲜无人机电池模组进行拆解，得到无人机电池单体和模组，标定电池单体的基本容量；
11.根据地池基本容量，获得无人机放电工况电流，用无人机放电工况与恒流恒压充电构成老化循环工况，对该电池进行循环老化试验；
12.选取电池不同荷电状态soc以及健康状态soh的电池模组/单体组成试验矩阵；
13.分别用轻气炮进行高速冲击航空模型的试验，电池安装在轻气炮出口处，选取不同速度对电池进行冲击，使其撞击航空器壳体；
14.回收撞击后电池，在观察电池有无明显机械形变后进行基本电特性测试，评价其全生命周期的抗冲击性能以及是否能继续使用。
15.进一步的，本发明充电工况选取恒流恒压充电至截止电压，对该电池进行循环老化试验，容量老化衰减至95％、90％、85％、80％。
16.进一步的，本发明荷电状态soc选择电池容量的0％，20％，40％，60％，80％，100％；健康状态soh选择电池容量的100％，95％，90％，85％，80％。
17.进一步的，本发明选取轻气炮的不同冲击速度对电池进行冲击，使其直接撞击到航空器模型上，以不发生直接爆炸为前提，对撞击后的电池进行回收，对其安全性能以及是否能继续使用进行评估。
18.进一步的，本发明所述的轻气炮的冲击速度选择20，40，60，80，100m/s。
19.进一步的，本发明所述的轻气炮包括炮管、发射装置、储气筒，炮管的一端设有航空器机头模型，炮管的另一端设有发射装置，发射装置连接储气筒，电池安装在炮管和航空器机头模型之间，发射装置将储气筒内的气体经炮管发射后对电池进行冲击。
20.进一步的，本发明在电池和航空器机头模型之间设有测速系统和高速摄像装置，用于获得电池撞击航空器壳体的速度和影像。
21.本发明的优点在于，区别于传统工况，本发明提出的无人机工况较好的模拟了无人机悬停，大功率起降，巡航等工作姿态。经历无人机工况老化后的电池，其老化程度更加接近真实无人机老化的情况。同时，通过不同soh，soc的电池进行不同冲击速度的试验，模拟全生命周期内电池的遭受不同速度冲击的情况，可以较好地评估无人机电池全生命周期的安全性能，以及对于抗高速冲击的耐受阈值。
附图说明
22.图1为无人机工况循环老化后电滥用测试流程图。
23.图2为无人机放电工况图(倍率)。
24.图3为无人机放电工况图(电流)。
25.图4为无人机电池模组/单体高速冲击试验图。
具体实施方式
26.本发明无人机电池老化后高速冲击试验方法总体的试验方法的流程图如图1所示，首先对于无人机电池单体进行标准容量测试，得到单体容量。
27.接着根据单体真实容量，基于无人机放电工况，得到放电的电流文件，同时将恒流恒压作为充电工况，图1给出模拟无人机工作的放电工况(纵坐标为放电倍率)，以一个标称容量为3.85ah的无人机用电池单体为例，给出其放电电流的具体工况(纵坐标为放电电流)，如图2所示。用无人机放电工况与恒流恒压充电构成老化循环工况，对该电池进行循环
老化试验。由于大倍率充电易引发锂电镀和负极材料损失，加速电池内阻增加和容量减小，缩短电池寿命，所以为了避免对电池老化造成影响，容量测试结束后将soc恢复至测试前状态的充电电流不能过大；而充电电流过小则会导致充电耗费时间过长，因此本发明根据电池厂商推荐选择充电倍率，取1c，由此得到模拟无人机真实老化的工况老化循环文件，老化循环文件一般为包含了每次循环充放电容量，电流，电压，以及温度的表格文件。并采用这样的循环对电池单体在恒温箱内(一般可以选择25℃)进行工况循环老化，直到可用容量为新鲜电池可用容量的80％，认为电池老化完成。选取不同的电池分别老化至95％，90％，85％，80％。
28.图4给出了无人机电池模组/单体高速冲击试验图，通过附图4示出的实验装置，选取轻气炮的不同冲击速度对电池进行冲击，使其直接撞击到航空器模型上，对撞击后的电池进行回收，对其安全性能以及是否能继续使用进行评估。轻气炮包括炮管、发射装置、储气筒，炮管的一端设有航空器机头模型，炮管的另一端设有发射装置，发射装置连接储气筒，电池安装在炮管和航空器机头模型之间，发射装置将储气筒内的气体经炮管发射后对电池进行冲击。在电池和航空器机头模型之间设有测速系统和高速摄像装置，用于获得电池撞击航空器壳体的速度和影像。
29.本发明选取不同soc以及soh的电池模组/单体组成试验矩阵，推荐选择soh(100％，95％，90％，85％，80％)，soc(0％，20％，40％，60％，80％，100％)，分别用轻气炮进行高速冲击航空模型的试验。每一个soh状态需要6块不同soc状态的电池，即需要30块实验电池。分别安装至轻气炮台架出口处，轻气炮以不同的冲击速度冲击电池。根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，民用无人机的垂直飞行空域一般在120米以内。无人机的垂直使用高度一般为120米以下。航空器在这一高度一般处于起降状态，飞行速度一般在200
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300km/h，即55
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83m/s，轻气炮的冲击速度一般为20
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1200m/s，完全可以模拟无人机和航空器碰撞的情况。本发明设定冲击速度分别为20m/s、40m/s、60m/s、80m/s、100m/s，使其撞击航空器壳体，完成全部实验需要150块电池。注意在实验过程中做好爆炸防护，如果电池出现爆炸的情况，需要终止实验。
30.在电池不发生爆炸热失控的情况下，小心回收撞击后的电池。首先对其外部形态进行观察，观察其是否发生明显机械形变。若形变程度在可接受范围内(一般认为可接受的变形最大处小于10mm)，进一步对电池进行基本电特性测试实验(可用容量，倍率特性测试)，根据初始容量，老化容量，冲击后可用容量，倍率特性等指标对电池抗冲击性能进行评价，并且确定是否能够继续使用，以评价无人机电池全生命周期的抗冲击性能。若冲击前后电池的可用容量，倍率性能没有明显区别(一般认为相对差异小于5％)，即认为该电池的抗冲击性能较好。
31.本发明针对无人机所用的电池模组，进行无人机工作工况老化试验，老化结束后对该电池进行高速冲击的试验测试，模拟无人机在经历工况老化后与航空器相撞的情况。高速撞击后对无人机电池进行评估，在不发生爆炸爆燃以及明显形变的基础上，评价高速冲击对老化电池的损伤，且评估其是否能够继续使用。本发明可以较好地评估无人机电池全生命周期的安全性能，以及对于抗高速冲击的耐受阈值。