UL 1973 机械强度测试：Section 28-37 振动/冲击/挤压/跌落四合一与外壳完整性判据

一句话总结： ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Edition) 对储能电池机械强度提出 10 项测试要求，涵盖通用必测（静态力 250N、6.8J 钢球冲击、跌落冲击按重量分级、壁挂安装 3 倍负载、模压应力高温老化）与专项测试（LER/VAP 系统振动/冲击/挤压 100kN、阀控式压力释放/启动-排放），所有测试均以 E/F/C/V/S/L/R/P 八项判定码为通过标准，壁挂式系统额外要求无任何损坏。

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一、机械强度测试体系总览

UL 1973 标准的机械强度测试覆盖 Sections 28-37，共 10 个测试项，按适用性分为三个大类：

分类	测试项目	适用系统	Section
通用必测	静态力	所有系统	31
通用必测	钢球冲击	所有系统	32
通用必测	跌落冲击	所有系统	33
通用必测	壁挂安装	所有系统（壁挂式）	34
通用必测	模压应力	所有系统	35
LER/VAP 专项	振动	LER/VAP 系统	28
LER/VAP 专项	机械冲击	LER/VAP 系统	29
LER/VAP 专项	挤压	LER/VAP 系统	30
阀控式专项	压力释放	阀控式电池	36
阀控式专项	启动-排放	阀控式电池	37

关键概念： LER = 锂金属电池（Lithium Electrode Reactant），VAP = 液流电池（Valve Regulated or Vented Aqueous electrolyte Product）。这两类系统因电化学特性特殊，需要额外通过动态机械测试。

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二、通用必测项目（所有系统适用）

以下 5 个测试适用于所有类型的储能电池系统，不区分化学体系或封装形式。

2.1 静态力测试（Section 31）

测试目的：验证电池外壳在持续静态压力下的结构完整性。

参数	要求
施力大小	250N +/- 10N
持续时间	5 秒
施力工具	直径 30mm 的圆形平面工具
施力位置	顶部、底部、各侧面（共 6 面）
测试环境	常温
合规判定	E/F/C/V/S/L/R/P

解读： 250N 约等于 25.5kg 物体的重力。这个力不算大，主要用于模拟运输、安装过程中可能遇到的挤压情况。30mm 直径工具模拟了较小面积上的集中载荷。

2.2 钢球冲击测试（Section 32）

测试目的：模拟外部物体（如重物掉落、碰撞）对电池外壳的冲击。

参数	要求
冲击能量	6.8 J
钢球规格	直径 50.8mm，质量约 535g
自由落体高度	约 1.29m
冲击次数	最少 3 次
支撑底板	19mm 厚胶合板
冲击位置	外壳各面代表性位置
合规判定	E/F/C/V/S/L/R/P

解读： 6.8J 的能量相当于 1kg 物体从 0.7m 落下，或 535g 钢球从 1.29m 自由落体。此测试模拟了工具掉落、小件物品碰撞等场景。胶合板底板提供了接近实际安装环境的弹性支撑。

2.3 跌落冲击测试（Section 33）

测试目的：验证电池系统在搬运、安装过程中跌落后的结构安全性。

参数	要求
跌落高度	按系统重量分级
重量 ⇐ 7kg	跌落高度 100 cm
7kg < 重量 ⇐ 23kg	跌落高度 10 cm
重量 > 23kg	跌落高度 2.5 cm
跌落表面	厚度 >= 76mm 的混凝土地面
合规判定	E/F/C/S/L/R/P（不含 V）

注意： 跌落冲击测试的判定码中不包含 V（排气）。这是因为跌落冲击的力学模式与其他测试不同，排气并非此类场景的主要安全关注点。

系统重量	跌落高度	典型应用场景
⇐ 7kg	100 cm	便携式储能、小型家用电池包
7-23kg	10 cm	中型壁挂式储能模块
> 23kg	2.5 cm	大型储能柜、集装箱式系统

2.4 壁挂安装测试（Section 34）

测试目的：验证壁挂式储能系统在长期悬挂负载下的结构可靠性。

参数	要求
测试负载	系统重量的 3 倍
持续时间	1 分钟
负载方向	垂直向下（模拟重力方向）
适用条件	仅适用于设计为壁挂安装的系统
合规判定	不得有任何损坏

解读： 3 倍系统重量的测试负载提供了约 3 倍安全系数。特别需要注意的是，此测试的判定标准为 "no damage"，而非其他测试的 E/F/C/V 等编码。这要求壁挂结构在测试后必须保持完全完好，无任何形式的变形或损坏。

2.5 模压应力测试（Section 35）

测试目的：验证塑料外壳在高温老化条件下的抗应力开裂能力。

参数	要求
测试温度	max（外壳额定最高温度 + 10°C，70°C）
持续时间	7 小时
适用对象	含模压塑料部件的外壳
合规判定	E/F/C/V/S/L/R/P

解读： 此测试取外壳最高工作温度加 10°C 与 70°C 中的较大值，确保测试温度始终不低于 70°C。对于高温电池系统（如钠-氯化镍 270-350°C），实际测试温度会远高于 70°C。

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三、LER/VAP 专项测试

LER（锂金属电池）和 VAP（液流电池）因电化学特性（如锂枝晶风险、液体电解质泄漏风险），必须额外通过以下三项动态机械测试。

3.1 振动测试（Section 28）

参数	要求
测试标准	IEC 61373 或 UL 2271/UL 2580 振动曲线
测试方向	3 个正交轴（X, Y, Z）
测试状态	充满电状态
合规判定	E/F/C/V/S/L/R/P

IEC 61373 是铁路应用设备的振动与冲击测试标准，其振动曲线模拟了运输和运行中的实际振动环境。UL 2271 和 UL 2580 分别是轻型电动车电池和车载电池标准，振动曲线更贴近道路运输场景。

3.2 机械冲击测试（Section 29）

参数	要求
测试标准	IEC 61373
冲击次数	总共 18 次
冲击方向	3 轴 6 向（每方向各 3 次）
测试状态	充满电状态
合规判定	E/F/C/V/S/L/R/P

解读： 3 轴 6 向 = X 轴的正向和负向、Y 轴的正向和负向、Z 轴的正向和负向，每向 3 次共 18 次冲击。这种全方位冲击测试确保电池在任何方向受到外部碰撞时都不会发生危险。

3.3 挤压测试（Section 30）

参数	要求
挤压力	100kN +/- 6kN（约 10 吨力）
挤压工具	SAE J2464 标准挤压夹具
合规判定	E/F/C/V（仅 4 项）

重要： 挤压测试的判定码仅包含 E（爆炸）/F（着火）/C（破裂）/V（排气） 四项。不含 S（外漏）、L（元件释放）、R（绝缘）、P（保护回路）。这是因为在 100kN 挤压力下，外壳必然发生变形，外漏和绝缘等指标不再适用。

SAE J2464 是汽车电池滥用测试标准，其挤压夹具设计用于模拟严重碰撞事故中电池包受到的极端挤压力。100kN 相当于约 10 吨的力，这是 UL 1973 中力值最大的机械测试。

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四、阀控式电池专项测试

阀控式电池（如阀控铅酸 VRLA、阀控镍氢等）有特殊的机械安全要求，需通过压力释放相关测试。

4.1 压力释放测试（Section 36）

参数	要求
测试介质	矿物油
测试方式	将电池完全浸没在矿物油中
测试目的	验证排气阀在液体环境中的正常工作
合规判定	E/F/C/V/S/L/R/P

解读： 矿物油浸泡模拟了电池意外浸入液体环境（如洪水、泄漏等）时排气阀能否正常释放内部压力。如果排气阀被矿物油堵塞或失效，电池内部压力积聚可能导致爆炸。

4.2 启动-排放测试（Section 37）

参数	要求
样本数量	3 个样品
试验次数	每个样品 3 次（共 9 次）
压力范围	排气阀标称压力的 90-100%
测量工具	量程 >= 150% 最大标称压力
合规判定	E/F/C/V/S/L/R/P

解读： 此测试验证排气阀在标称压力范围内的启动一致性。每个样品需重复 3 次以验证可重复性。压力表量程要求至少为最大标称压力的 1.5 倍，以确保测量精度。

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五、合规判定码汇总

判定码	含义	适用范围
E	无爆炸（No Explosion）	全部测试
F	无着火（No Fire）	全部测试
C	无破裂（No Rupture）	全部测试
V	无排气（No Venting）	除跌落冲击、挤压外的测试
S	无电解液外漏（No Leakage）	除挤压外的测试
L	无不安全元件释放	除挤压外的测试
R	绝缘电阻 >= 100 Ohm/V	除挤压外的测试
P	无保护回路损坏	除挤压外的测试
无损坏	无任何形式的结构损坏	仅壁挂安装测试

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六、工程师提示

设计建议

1. 外壳设计优先级： 挤压（100kN）> 钢球冲击（6.8J）> 静态力（250N）。外壳应分层设计：外层防挤压（加强筋布局）、中层防冲击（缓冲材料）、内层防静态力（支撑结构）。
2. 壁挂系统： 壁挂支架设计时应考虑 3 倍安全系数，连接件（螺栓、焊接点）需进行额外强度校核。
3. LER/VAP 系统： 如果产品面向车载或运输场景，建议选用 UL 2271/2580 的振动冲击曲线（比 IEC 61373 更严格），以提前满足可能的运输安全要求。
4. 模压塑料件： 选用材料时需确认热变形温度（HDT）高于测试温度（外壳最高温度+10°C 与 70°C 的较大值），建议留 15°C 以上余量。
5. 阀控式电池： 排气阀选型时应先做供应商来料一致性验证（启动压力波动 <5%），避免 Section 37 测试不合格。

常见不符合项

• 静态力测试中外壳凹陷导致内部电池组短路
• 钢球冲击后外壳破裂露出带电部件
• 跌落冲击中内部连接器松动导致接触不良
• 壁挂安装测试中安装支架变形导致系统脱落风险
• 挤压测试中电芯变形引发热失控

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关键事实

1. 所有储能电池系统必须通过 5 项通用机械测试：静态力（250N/30mm 圆形平面）、钢球冲击（6.8J/50.8mm 钢球）、跌落冲击（按重量 100cm/10cm/2.5cm 分级）、壁挂安装（3x 系统重量，适用于壁挂式系统）和模压应力（高温老化 7 小时）。
2. **LER（锂金属电池）和 VAP（液流电池）**因电化学特性特殊，必须额外通过振动（IEC 61373/UL 2271 曲线）、机械冲击（18 次/3 轴 6 向）和挤压（100kN，约 10 吨力）三项动态机械测试。
3. **挤压测试（Section 30）**的判定码仅含 E/F/C/V 四项，不含 S/L/R/P——因为 100kN 挤压力下外壳必然变形，外漏和绝缘指标不再适用。
4. **壁挂安装测试（Section 34）**是唯一以"no damage"为判定标准的测试，要求测试后保持完全完好，无任何形式的变形或损坏。
5. 阀控式电池需通过矿物油浸泡压力释放测试（Section 36）和排气阀启动-排放重复性测试（Section 37，3 样品 × 3 次），模拟排气阀在液体环境和标称压力范围内的可靠性。

常见问题

Q1: 自然冷却（无主动冷却）的电池是否免除机械测试？ 否。机械强度测试与冷却方式无关，所有储能电池系统均需满足 Sections 28-37 的适用测试要求。仅 Section 24 热管理故障测试对自然冷却系统不适用。

Q2: 挤压测试中 100kN 的力到底有多大？ 100kN 相当于约 10.2 吨物体的重力，是静态力测试（250N，约 25.5kg）的 400 倍，为 UL 1973 中力值最大的机械测试。设计时外壳加强筋布局应优先满足此测试。

Q3: 跌落冲击测试为何不含 V（排气）判定码？ 跌落冲击的力学模式以瞬时冲击为主，与静态力等持续载荷模式不同。在此类场景中，排气并非主要安全关注点，标准选择聚焦于更关键的安全指标（爆炸、着火、破裂）。

Q4: 系统重量分级为 23kg 时，跌落测试用哪个高度？ 标准定义：重量 ≤ 7kg → 100cm，7kg < 重量 ≤ 23kg → 10cm，重量 > 23kg → 2.5cm。23kg 的系统落入第二级（10cm）。

Q5: 壁挂安装测试的 3 倍负载是同时施加还是分步施加？ 标准要求在垂直向下方向持续施加 3 倍系统重量的负载，持续 1 分钟。建议在产品设计阶段即按 3 倍安全系数校核壁挂支架和连接件（螺栓、焊接点）。

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参考文献

1. ANSI/CAN/UL 1973:2022 (Third Edition), Sections 28-37 — Mechanical Tests
2. IEC 61373 — Railway Applications — Rolling Stock Equipment — Shock and Vibration Tests
3. SAE J2464 — Electric and Hybrid Electric Vehicle Rechargeable Energy Storage System (RESS) Safety and Abuse Testing
4. UL 2271 — Standard for Batteries for Use in Light Electric Vehicle (LEV) Applications
5. UL 2580 — Standard for Batteries for Use in Electric Vehicles