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影响电动汽车电池安全的关键因素分析及解决措施

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浏览:- 发布日期:2016-10-09 20:01:01【

汽车动力电池

锂离子电池具有能量密度高、功率密度高、寿命长、环保等特点,已经在电动汽车中获得应用。但电动汽车锂离子电池组的容量大、串并联节数多、安全工作区域有限,需要电池管理系统对其进行有效控制与管理,以充分保证电池的安全性、耐久性和动力性。

电池管理系统由各种传感器、执行器、控制器等构成,其关键技术包括:传感器的精度及传感器之间的同步技术、电池单体及电池组的状态(荷电状态、健康状态、功能状态、能量状态、安全状态等)估计技术、电池组一致性辨识与均衡技术、安全充电和故障诊断技术。

动力电池安全性主要包括以下几个方面:

1。动力电池结构安全
振动、机械冲击、跌落、挤压、翻转、碰撞、刺穿
2.动力电池电安全
过充电、过放电、短路、低温充电、电击(系统)、灰尘污染、涉水、水淹、火烧、湿气
3.热安全
外部高温、大阻抗
4.化学安全
腐蚀性、可燃性
5.功能安全(BMS)
BMS设计冗余功能、电磁兼容
6.环境安全
温度冲击、湿热循环、高海拔、电磁兼容
7.生命周期安全
全生命周期内动力电池(系统)的机械安全、电安全、热安全、滥用安全、环境安全和三防安全性能

从电池系统安全来讲,最终的结果是关注热安全和电安全,在这两个终极目标的外围是前几道防线:

(1)正常工作情况下防护(防尘防水、防结构侵入和损失、正常环境载荷:温度冲击、湿热循环、高海拔、耐干扰);
(2)滥用情况下的防护(过充、过放、短路、低温充电、高温用电);
(3)事故情况下的防护(跌落、挤压、翻转、碰撞、针刺、火烧、热失控、海水浸泡)。

动力电池安全性问题来自其能量释放,形式包括电能释放和化学能释放。电能释放形式形成的安全性问题表现为电击(主要指6V以上的高压系统)化学能释放引起的安全性问题最终表现形式为热失控和热失控扩展引起的燃烧或爆炸


动力电池热失控与扩展分析

热失控诱因:所谓热失控(thermal runaway)是指单体电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化,不可逆,引起过热、起火、爆炸现象。

正版资料香港资料大全 热失控扩展(thermal runaway propagation)是指电池包,或者电池系统内容的单体电池或者电池模组单元热失控,并触发电池系统中相邻或其他部位的动力电池的热失控的现象。

图6为清华大学得到的三元材料的锂离子动力电池热失控的机理,可以看到热失控发生时,各种材料相继发生热化学反应,放出大量的热量,形成链式反应效应,使得电池体系内部温度不可逆快速升高。链式反应过程中,电解液气化及副反应产气造成电池体系内压力升高,电池喷阀破裂后,可燃气体被点燃发生燃烧反应。单体电池的热失控特性表现为其组成材料反应热特性的叠加。

锂离子动力电池单体热失控链式反应机理

图6 锂离子动力电池单体热失控链式反应机理

(1)热失控主要诱因包括:机械诱因、电诱因和热诱因,如图7所示。以上诱因可单独或者结合引发热失控。

热失控诱因

图7 热失控诱因

机械诱因引发的热失控及扩展引起火灾的典型案例包括全球销量领先的美国通用公司的VOLT插电式混合动力轿车在碰撞后发生着火的研究结果,如图8所示。以及全球最受欢迎的纯电动轿车特斯拉ModelS运行过程中由于底盘被路上突出物刺穿,引发着火,如图9所示。

碰撞引发VOLT插电式电动汽车着火

正版资料香港资料大全 图8 碰撞引发VOLT插电式电动汽车着火

底盘刺穿引发特斯拉着火

图9 底盘刺穿引发特斯拉着火

电诱因引发的电动汽车着火的案例中典型代表是中国某品牌公交车在充电站由于过充电引发着火事件(如图10所示),以及特斯拉ModelS在冬季低温充电发生着火的事故等,如图11所示。

电动公交车过充引发着火

图10 电动公交车过充引发着火

低温充电引发着火

正版资料香港资料大全 图11 低温充电引发着火

热触发热失控引起电动汽车起火的典型例子是一辆丰田普锐斯插电式混合动力轿车在运行中起火,其原因是一个连接部件的松动使得系统产生高温,从而引发电池包的热失控与扩展。

电动汽车高压系统在水浸泡可触发热失控,从而引起电动汽车着火,典型案例是南京纯电动公交车在大雨过后的积水里浸泡后一段时间后着火,如图12所示。

纯电动客车在水中浸泡一段时间后着火

图12 纯电动客车在水中浸泡一段时间后着火

以上热失控诱因是直接可观的,除此之外,对于使用中的电动汽车有一个生命周期安全性问题,比如使用一段时间的电动汽车在无任何触发事件情况下会发生由电池部件的热失控引发的自燃,如图13所示公交车在场站静置停靠时自燃,并且引燃了附近停靠的公交车,造成较大损失。

停靠在站内的电动公交车电池包自燃(生命周期安全问题)

图13 停靠在站内的电动公交车电池包自燃(生命周期安全问题)

(2)热失控机理:在外部诱因作用下,经过演变过程,电池事故将会进入“触发”阶段。一般地,进入触发阶段之后,锂离子动力电池内部的能量将会在瞬间集中释放,此过程不可逆且不可控,即热失控。热失控后的电池发生剧烈升温,在高温下可以观察到冒烟、起火与爆炸等危险现象。 

当然,从广义的“安全性”的定义来看,电池安全事故中,也可能不发生热失控。比如电池发生碰撞事故后并不一定发生热失控;而电池组绝缘失效造成人员高电压触电,电池漏液产生异味造成车载人员身体不适等情况下,电池也不会发生热失控。在动力电池系统的安全设计当中,以上情况都需要考虑。而热失控则是安全性事故最常见的事故原因,也是锂离子动力电池安全性事故特有的特点。大量实验现象表明,热失控后的电池不一定会同时发生冒烟、起火与爆炸,也可能都不发生,这取决于电池材料发生热失控的机理。 

图14与图15展示了某款具有三元正极/PE 基质的陶瓷隔膜 / 石墨负极的锂离子动力电池的热失控机理。 

图14为该款锂离子动力电池绝热热失控实验中的温度与电压曲线,根据其热失控温度变化的特征,将热失控过程分为了7个阶段。在不同阶段,电池材料发生不同的变化。 图15通过一系列的图片解释了各个阶段电池材料的变化情况。

某款三元锂离子动力电池热失控实验

正版资料香港资料大全 图14 某款三元锂离子动力电池热失控实验

某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理示意图

图15 某款三元锂离子动力电池热失控不同阶段的机理示意图

对于冒烟的情况而言,在阶段V,如果电池内部温度低于正极集流体铝箔的熔化温度660℃,电池正极涂层就不会随着反应产生的气体喷出,此时观察到的会是白烟;而如果电池内部温度高于660℃,正极集流体铝箔熔化,电池正极涂层随着反应产生的气体大量喷出,此时观察到的会是黑烟。

对于起火的情况而言,热失控事故中的起火一般是由于电解液及其分解产物被点燃造成的。所以,从阶段II开始,从安全阀泄漏出来的电解液就有可能被点燃而起火。 从燃烧反应的三要素(可燃物,氧气,引燃物)来看,可燃物即是电解液;氧气在电池内部存在不足,因此电解液需要泄漏出来才会发生起火;引燃物可能来自于电池外短路产生的电弧,也可能来自热失控时,高速喷出的气体与安全阀体摩擦所产生的火星。

正版资料香港资料大全 对于爆炸的情况而言,爆炸一般表现为高压气体瞬间扩散造成的冲击。电池内部具有高压气体积聚的条件,而安全阀则是及时释放高压积聚气体的关键。安全阀体如能在电池壳体破裂之前开启,并释放足够多的在热失控过程中产生的高压气体,电池就不会发生爆炸;安全阀体如不能及时开启,就可能会发生爆炸事故。

动力电池安全性技术标准需求

安全性测试标准对于提升动力电池的安全性水平尤为重要。基于上述动力电池安全性问题的梳理,对相应的安全性技术测试标准提出了迫切的需求。目前国内采用的动力电池安全性测试的标准主要包括 《GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求试验方法循环寿命要求及试验方法》和《GB/T 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》。GB/T31485-2015主要考核动力电池单体和模组的安全指标,围绕化学能的防护,给出了一系列滥用情况以及极端情况下的安全要求和检验规范。GB/T31467 侧重于电池包或电池系统级的检验规范。GB/T 31467.3-2015 主要针对安全要求和测试方法做了明确的规定。结合GB/ T31485-2015,构成了从电池单体、模组、到动力电池包和动力电池系统的完整的化学能防护规范。目前,总体上动力电池相关测试标准较国外严格。

GB T31485-2015 标准测试内容

表3 GB/T31485-2015 标准测试内容

GB T31467.3 测试内容

表4 GB/T31467.3 测试内容

目前动力电池安全性标准与需求

表5 目前动力电池安全性标准与需求

通过上述分析可以看出,在动力电池安全性标准方面,目前模块、系统对热失控的防热诱因测试方面,以及单体、模组和系统的生命周期安全性测试标准缺失,亟待研究与制定。现行国家安全标准主要针对源自电池外部因素的安全风险,尚无检测电池内部热失控的项目。 

目前,经动力电池创新联盟对高比能量动力电池安全性的测试结果显示,国内企业高比能量的三元电池安全性不达标比例较高,生产一致性较低,电池比能量提高时,安全风险加大,所收集数据中,未能通过标准检测的电池单体均为超过150Wh/kg的高比能量电池,且高比能量电池一旦发生热失控,易发生起火爆炸。

提高安全性的技术手段:

(1)单体安全性技术提升
提高动力电池单体安全性的技术手段主要包括:
提高材料安全性,比如开发高全电池材料,改变电解液的有机溶剂成分,采用陶瓷隔膜,在电解液中增加阻燃剂等;改进工艺提高安全性;采用自发热控制技术,比如阻断放热副反应的正反馈过程等;增加保护措施,降低外部触发因素发生概率(过充、过热、短路、挤压、穿刺等)。
(2)电池模组安全性提升
动力电池成组安全性技术包括集成化、模块化技术和封装技术等。
(3)电池系统安全性提升
动力电池系统的安全性提升依赖于先进的 BMS 技术、热管理系统、构型技术、防护系统设计和保护电路等。其中 BMS 功能应该至少包括:电池参数检测(SOC、SOH、SOE)、故障诊断、安全控制与报警、充电控制、均衡、温度控制、功能安全、EMC 等。

动力电池系统安全性提升主要在以下几个方面

机械安全
强度机械部件的刚度校核,实现壳体等具有固定、柔性、缓冲性能,密封技术;
电气安全
电器件布局,电联接可靠性,防护、绝缘、电气间隙,高压保护,等电位;
功能安全
滥用保护、过压/欠压/过流保护、高低温阀值、碰撞时断高压、ASIL评定与管理;
策略安全
高低压互锁、高低压隔离、充放电策略、安全预警和保护;
工艺安全
电器件布局,电联接可靠性,防护、绝缘、电气间隙,高压保护,等电位;
运维安全
手动维修开关、快速维修口、安全标示、警示信息、防护和包装;
环境安全
温度监控和热管理,防火、阻燃、防水、防腐蚀,EMC和EMR,高IP防护等级;
碰撞安全
防护系统,提高框架刚度;
防爆安全
泄压装置、防止热失控。

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