catl可靠性課題申報項目立項報告

CATLConfidentialPreparedby:王卓Checkedby:范文慧November4,20231可靠性課題申報（材料類）

Outline

背景介紹項目目標Milestone技術方案技術可行性分析項目風險項目預算

項目團隊2項目背景31需求分析近年來，作為新能源汽車的技術之一的動力電池產業(yè)，發(fā)展十分迅猛，同時，用戶對動力電池的可靠性也提出了更高的要求。動力電池產品在制造過程中應用了大量高分子材料，這些高分子材料在加工、貯存和使用過程中不可避免會受各種環(huán)境因素的影響，引起老化現(xiàn)象，從而見接影響到動力電池的性能，降低整體產品的壽命及可靠性。因此研究高分子材料的老化和預測高分子材料的壽命就變得尤為重要。影響高分子材料老化發(fā)生發(fā)展的因素十分復雜。應用在動力電池方面的高分子材料，主要受到溫度、濕度、氧、電應力、外應力等因素的影響，其中，濕熱環(huán)境是致使材料老化，從而誘發(fā)失效的重要因素，且絕大多數(shù)情況下是由濕度和溫度兩個因素一起出現(xiàn)，共同作用于材料。

項目背景4針對寧德新能源公司目前對此類高分子材料產品可靠性研究的迫切需求，以及考慮到自然老化試驗周期長，難以滿足當前高分子學科研究發(fā)展的需求，提出對其進行加速試驗，從而縮短研制周期，減少試驗費用，及早暴露設計缺陷，評估其可靠性，為研究提供技術支持。在高分子材料的加速試驗和可靠性研究的過程中，主要存在以下三方面的問題迫切需要解決：1)如何結合實際工況評估材料的使用壽命并指導材料的最優(yōu)選型是亟待解決的問題。2)如何研究多因子的耦合關系，建立多因子耦合加速模型，提高預測結果精度，使結果更加接近實際情況，也是研究的重點和難點。3)如何更好地選取試驗樣件，以及如何將標準試樣老化試驗的結果與實際產品老化相對應是目前存在的難點。項目背景52國內外研究現(xiàn)狀加速老化試驗的最終目的是預測材料壽命。目前研究的熱點主要集中在對高分子材料的熱、光老化、熱氧老化、光氧老化、化學介質中的老化機理及穩(wěn)定化進行深入研究上。然而基于反應機理理論和分子結構參數(shù)的加速老化試驗預測法還不可能廣泛應用，而以老化動力學為基礎的預測方法則發(fā)展得非常迅速，如線性關系法、動力學曲線直線化法、變量折合法以及三元數(shù)學模型法等。項目背景6在針對材料的加速老化試驗中，常用的加速模型有兩種：Arrhenius模型(阿倫尼斯模型)和Eyring模型，但這兩種模型僅適用于單一應力。目前研究較多的多因子物理加速模型主要以二應力或三應力為主，其中，將溫度、濕度納入考量范圍所推導出的加速模型在所有的老化測試加速模型中占有較大的比重，主要包括：Hallberg-Peck模型，Arrhenius與Eyring結合模型等。對于復雜應力加速試驗，主要以通過壽命特征與應力類型的多項式回歸來建立的數(shù)學統(tǒng)計加速模型為主，主要有廣義對數(shù)線性模型、多項式加速模型、比例危險函數(shù)模型等。而統(tǒng)計加速模型中的非參數(shù)模型，如人工神經網絡、支持向量機等也成為研究的熱點。項目背景73課題組基礎本課題組針對高分子材料加速老化試驗，進行過相關研究并已經取得一定研究成果，項目內容主要是對丁腈橡膠O型密封圈進行了性能分析和失效機理研究，得出主要敏感應力，設計并實施了預試驗和步進應力加速退化試驗，選取了適合描述橡膠密封圈退化行為的加速退化模型，對退化試驗數(shù)據結果進行了統(tǒng)計分析，建立了基于齊次漂移布朗運動的性能退化模型和可靠度函數(shù)，最后給出可靠壽命。課題組已有研究的方法、成果可以為本項目研究提供思路及經驗，便于針對使用環(huán)境和適用對象進行合理地變化。項目背景84目前存在的問題通過國內外研究現(xiàn)狀分析，針對應用于動力電池的高分子材料加速老化試驗的研究工作，主要存在以下幾點問題需要進一步研究解決：對于特定高分子材料的加速老化試驗的設計，更多的還是依賴經驗，缺乏有關的規(guī)范與標準指導，其結果的可比性與可參照性不強，需要提出更適應于使用環(huán)境的試驗方法。通過加速老化試驗評估材料的使用壽命從而指導材料的最優(yōu)選型，為動力電池的安全及可靠性提供外部保證，將是研究的重點。項目背景9目前針對高分子材料加速試驗的多因子耦合加速模型基本都是限定在常見的幾個應力范圍內，但對于不同高分子材料的不同使用情況，影響因子十分復雜，現(xiàn)有模型不一定適用，因此，還需要結合具體使用情況進行分析，將分別代表宏觀性能的試驗數(shù)據與代表微觀結構的老化機理這兩個層面的工作結合起來研究，構建出普適性好，精確度高的多因子耦合加速模型。同時，避免盲目地進行多因子加速老化試驗，要根據材料的不同使用環(huán)境，對應力敏感度進行準確分級及評估，對應力的選取進行優(yōu)化，優(yōu)化試驗操作，提高模型精度。項目背景10當無法直接對實際產品的實際應用狀態(tài)進行試驗，而只能使用標準試樣進行老化試驗，測定其機械或其他性能的衰退情況時，需要將標準試樣老化試驗的結果與實際產品老化相對應。目前針對這方面的研究較少，尤其是建立量化模型方面更是研究難點。試樣和實際產品的形狀、尺寸不同，相同應力條件下，材料老化表征出的彎曲、拉伸、斷裂指標等都會不同，如何更加合理地選擇試驗樣件，并且綜合、全面地建立材料的尺寸、形狀等特征與老化指標模型，從而精確地將標準試樣老化試驗的結果與實際產品老化相對應，為最終預測材料實際使用壽命做準備，是未來研究的方向和重點。項目背景11以上三項問題及其解決方法的研究工作相輔相成，密不可分，是一個有機整體，也是實現(xiàn)高分子材料壽命預計及確保動力電池整體可靠性的必要環(huán)節(jié)。通過加速試驗得到材料的壽命特征，并結合實際工況評估材料的使用壽命，對合理地選擇與使用高分子材料，保證動力電池系統(tǒng)正常工作，提高產品可靠性和產品競爭力，具有重要意義。

項目目標121技術目標被試材料樣品加速老化試驗方法研究構建多因子耦合加速模型建立標準試樣與實際產品老化對應關系

項目目標13被試材料樣品加速老化試驗方法研究結合產品的實際使用環(huán)境，對被試材料樣品老化試驗進行方法研究，從該材料的運輸、貯存、使用環(huán)境以及其老化機理等方面考慮，確定試驗方法。基于加速應力試驗的方式，通過敏感應力的選取與試驗方法的優(yōu)化，以實現(xiàn)被試材料老化數(shù)據的有效地收集，用于應力建模與實際樣品壽命評估。根據不同高分子材料的加速試驗及壽命預測結果，結合實際需求進行材料選型。

項目目標14構建多因子耦合加速模型

針對產品的實際使用環(huán)境，通過分析實際使用環(huán)境下的老化數(shù)據及各種環(huán)境下的老化機理，找出材料的老化敏感應力，優(yōu)化試驗應力選擇，研究主要敏感應力的構建多因子耦合加速模型方法，實現(xiàn)復雜多變應力-退化指標關系模型，完成復合應力與退化指標影響之間的定量評估；并利用樣品壽命數(shù)據對模型進行參數(shù)估計與驗證。

項目目標15建立標準試樣與實際產品老化對應關系

結合產品的實際使用環(huán)境，對被試材料樣品老化試驗進行方法研究，從該材料的運輸、貯存、使用環(huán)境以及其老化機理等方面考慮，確定試驗方法?；诩铀賾υ囼灥姆绞?，通過敏感應力的選取與試驗方法的優(yōu)化，以實現(xiàn)被試材料老化數(shù)據的有效地收集，用于應力建模與實際樣品壽命評估。根據不同高分子材料的加速試驗及壽命預測結果，結合實際需求進行材料選型。

項目目標162進度目標2017/12前，完成被試材料敏感應力、老化機理與故障模式分析；2017/12前，完成被試樣品加速老化試驗方法研究與優(yōu)化及材料選型；2018/06前，構建多因子耦合加速模型及復雜應力-壽命指標模型；2018/10前，建立標準樣品與實際樣品老化對應關系；2019/02前，完成實際樣品壽命評估，可靠性評估。Milestone項目成功信心指數(shù):2023/11/4CATLConfidential17Timeline啟動2017.72017.122018.10目前狀態(tài)2017.82019.2產品故障及敏感應力分析加速試驗方法研究退化過程匹配實際樣品壽命評估SN活動描述時間節(jié)點交付物備注1產品故障及敏感應力分析及加速退化試驗方法研究

2017/12實際樣品退化試驗設計方法2應力分析與建模2018/06復雜應力-壽命指標建模分析報告3標準樣品與實際樣品退化過程匹配2018/10標準樣品與實際樣品壽命匹配報告4實際樣品壽命評估2019/02實際樣品壽命評估報告2018.6應力分析與建模技術方案18被試材料樣品加速老化試驗方法研究；被試材料樣品加速

老化試驗方法研究；建立標準試樣與實

際產品老化對應關系

（如右圖）。技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究在與CATL充分溝通的基礎上，選取目前應用較為廣泛、老化問題較為嚴重的典型材料，分析整理企業(yè)目前已有的材料性能、使用條件、常見問題、常規(guī)老化試驗方面的信息，調研搜集國內外相同或相似材料的老化機理、老化試驗方法、壽命預計及壽命設計、合理使用以延長壽命等等的相關最新研究成果，依據實際產品在使用壽命周期中的老化情況及記錄，針對實際使用工況對被試研究材料進行材料老化效應分析，明確實際工況老化過程中的敏感應力、作用方式及不同環(huán)境應力的影響機理，根據項目組的研究基礎及已有研究經驗，對包括力學化學過程、熱化學過程、輻射老化及物質因素作用等外界作用的作用機理與材料失效模式給出分析結果（見下表），后續(xù)將在此基礎上展開深入研究，為試驗優(yōu)化設計提供科學的理論依據。

19技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究外部因素機理分析失效模式環(huán)境因素力學化學過程機械應力影響聚合物的降解和結構化兩個過程的速度比，并使聚合物中生成的化學鍵在機械應力作用下重排應力松弛和產生形變(拉伸永久變形、壓縮永久變形)熱化學過程熱分解，熱和氧化綜合能加速橡膠的老化老化變質光老化吸收光子發(fā)生化學反應開始時發(fā)粘，后來變色、變脆或增厚，并生成無規(guī)則裂紋輻射老化吸收電離輻射能量放出輻射反應的氣體產物，產生不飽和度和特性的改變及順反式異構化和環(huán)化物質因素氧發(fā)生兩種氧化反應：裂解反應和交聯(lián)反應裂解反應占優(yōu)勢時，變軟發(fā)粘，失去使用性質；交聯(lián)反應占優(yōu)勢時，變硬發(fā)脆，發(fā)生龜裂，失去使用性質臭氧離解能作用老化變質水分與親水組分結合，進而引起電化學腐蝕膨脹、起泡變價金屬由過氧化物或氫過氧化物、還原劑及變價金屬鹽組成的各種氧化-還原體系是游離基源，在無氧時能引起交聯(lián)，在有氧時能引起裂解老化變質20技術方案

在詳細的有機密封材料老化機理分析結果基礎上，分析選取反映其工作性能退化的性能參數(shù)，確定退化量及失效標準；在此基礎上，從環(huán)境模擬與老化效應的角度，重點關注其敏感應力與可加速應力，參考常規(guī)加速應力施加方式（見下圖）選取合適的加速試驗實施方式進行人工加速老化試驗設計，研究符合實際工作環(huán)境條件的試驗方式、應力條件、實施方法和判據準則等。

21被試材料樣品加速老化試驗方法研究技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究在確定加速應力試驗類型的基礎上，老化試驗優(yōu)化基于DOE方法原則，對多因子種類、強度進行正交試驗設計（見下表），以在完善應力類型與強度的前提下縮短試驗時間，提高試驗效率，進而完成實際樣品老化試驗方法的優(yōu)化，用于收集充分的被試材料樣品老化壽命數(shù)據（示例為項目組在某國家項目中完成的丁腈橡膠密封圈加速老化試驗的優(yōu)化設計示意圖，見下圖）。22技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究

因素試驗號恒溫溫度/℃恒溫時間/h機械應力/N濕度/%試驗結果ABCD12341水平1水平1水平3水平2

2水平2水平1水平1水平1

3水平3水平1水平2水平3

4水平1水平2水平2水平1

5水平2水平2水平3水平3

6水平2水平2水平1水平2

7水平1水平3水平1水平3

8水平2水平3水平2水平2

9水平3水平3水平3水平1

23技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究加速模型分三類：經驗加速模型、物理加速模型、統(tǒng)計加速模型。但是由于高分子材料結構種類繁多，變化因素較多，且研究的影響因素側重點也不同，所以目前經驗加速模型研究較少，且不太適用。目前針對高分子材料溫濕度綜合作用的加速壽命模型的確定方法研究較多的主要有物理加速模型和統(tǒng)計加速模型。了解并量化產品在工作狀態(tài)下的實況環(huán)境條件，從對高分子材料老化造成顯著影響的主要敏感應力組合出發(fā)，進行多因子耦合關系分析。24技術方案

25技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究溫度、濕度耦合加速模型：Hallberg-Peck模型Arrhenius與Eyring結合模型Arrhenius模型是與溫度相關的壽命模型。Eyring模型可用于當一些非熱因素(如濕度等)為老化應力時情形。因此可考慮將Arrhenius模型與Eyring模型相結合，得到下濕熱老化壽命模型

其中，L代表加速濕熱老化壽命；A、B、分別為待定模型參數(shù)；H為相對濕度（小數(shù)或百分比%）；T為絕對溫度(K)26技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究溫度、濕度耦合加速模型：加速失效時間模型：根據試驗統(tǒng)計數(shù)據，確定室內使用與實驗室儀器加速試驗在性能達到某一規(guī)定值時所需時間之比，即時間變換系數(shù)Rt，作為試驗的濕熱系數(shù)，從而外推出正常使用壽命。其他加速老化模型式中C為比例常數(shù)，K’為與溫度和高聚物分子濃度有關的一個比例常數(shù)；t為老化時間，h；[H2O]為水蒸氣的摩爾濃度，mol/L；A為回歸系數(shù)，h-1；T為熱力學溫度，K；R為理想氣體常數(shù)，

；E為表觀活化能，。可以通過每一個老化溫度T及濕度環(huán)境下一組老化時間τ與性能的數(shù)據從而推斷出材料的老化性能。27技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究溫度、濕度、電應力耦合加速模型：

由于本項目中的高分子材料應用于電池，還應考慮電作為老化的影響因素。增加電場度老化因素后的溫度、濕度和電場強度三因素協(xié)同作用的加速老化模型主要以模型驅動為主，可表示為：

式中，t表示試樣的老化時間(h)；q(E)表示電場強度與試樣空間電荷總量的關系函數(shù)；F(x1)溫度和老化時間之間的關系函數(shù)，T(w)表示濕度與低頻段介損積分值間的關系函數(shù)，f(T,w)為濕度和溫度共同作用時的模型修正函數(shù)；f(T,w,E)表示電場強度、溫度和濕度共同作用下模型的修正函數(shù)。通過多元非線性回歸，即可得到基于溫度、濕度和電場強度三個老化因素互相作用的修正函數(shù)。28技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究多因子耦合加速模型：在同時考慮較多因子的情況下，材料的壽命分布不易獲取，物理加速模型在未知參數(shù)較多的情況下精度較低，因此，現(xiàn)在主要以統(tǒng)計加速模型中的非參數(shù)模型為主。從數(shù)據驅動的角度，對敏感應力中復合應力的老化試驗數(shù)據進行分析，對數(shù)據擬合結果及其相關性進行分析?；谏鲜鲅芯糠椒ǎ@得多因子耦合條件下的應力-壽命模型，實現(xiàn)多環(huán)境應力下的退化信息融合，進而達到構建多因子耦合加速模型的目的。主要利用現(xiàn)代數(shù)學預測方法和工具，如BP-神經網絡等機器學習方法。29技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究多因子耦合加速模型：基于BP人工神經網絡的多因子加速壽命試驗預測方法是一種非參數(shù)方法。它的研究對象是產品壽命和應力水平之間的映射數(shù)學關系。BP網絡通過自學習，可從試驗數(shù)據中自動總結規(guī)律，把具有復雜因果關系的物理量在經過適當數(shù)量的訓練之后比較準確地反映出來，并可用總結出的規(guī)律來預測未知的信息。它的誤差來源主要是實驗數(shù)據，包括測量誤差及未知或未考慮因素的影響。采用人工神經網絡來完成對高分子材料的老化壽命預測具有較高的精度。原理圖如下：30技術方案被試材料樣品加速老化試驗方法研究多因子耦合加速模型：其他機器學習、深度學習等方法也可以用于加速試驗壽命的預測，其原理相似，但需要根據不同方法的特點，適用條件進行合理的選擇和應用。

31技術方案建立標準試樣與實際產品老化對應關系外界施加應力試驗可以通過對試樣進行拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和剪切強度試驗，這些都可以在電子萬能材料試驗機上進行，使用超聲掃描無損檢測方法分別檢測高分子材料加速老化前后的指標狀態(tài)，檢查是否發(fā)生裂縫等損傷程度。但是鑒于試樣和實際產品的形狀、尺寸不同，相同的應力條件會造成材料出現(xiàn)裂縫、彎曲、拉伸、斷裂程度等老化指標都有所不同，所以需要將標準試樣老化試驗的結果與實際產品老化相對應，才能正確評估出高分子材料在實際使用情況中的壽命及可靠度。32技術方案建立標準試樣與實際產品老化對應關系分別得到試樣和實際樣品的尺寸，得到所研究高分子材料尺寸與老化指標（裂縫、彎曲等）對應數(shù)學關系，訓練建立模型，將實際樣品尺寸數(shù)據輸入模型中，從而得到實際樣品對應老化指標數(shù)值，再根據完成基于實際樣品試驗數(shù)據的參數(shù)估計與模型修正，最終得出不同應力環(huán)境條件下的可靠度及壽命評估曲線，結合標準試件的試驗應力條件與壽命情況，建立標準試件與實際試件在確定工況下的壽命匹配情況，基于材料的實際使用環(huán)境完成實際樣品壽命評估。33技術可行性分析相比較實際樣品的使用方式及環(huán)境，標準件與實際樣品的工況等條件有過多區(qū)別，再加上其自身形狀等條件的不同，圓柱狀或啞鈴狀的標準試件在老化試驗或性能試驗中所表征出的壽命特性有明顯差異性，且在多種條件相異的情況下直接實現(xiàn)標準試樣老化試驗結果與實際產品老化情況相匹配較為困難，因而難以