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影響電動汽車電池安全的關鍵因素分析及解決措施

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瀏覽:- 發布日期:2016-10-09 20:01:01【

汽車動力電池

鋰離子電池具有能量密度高、功率密度高、壽命長、環保等特點,已經在電動汽車中獲得應用。但電動汽車鋰離子電池組的容量大、串并聯節數多、安全工作區域有限,需要電池管理系統對其進行有效控制與管理,以充分保證電池的安全性、耐久性和動力性。

電池管理系統由各種傳感器、執行器、控制器等構成,其關鍵技術包括:傳感器的精度及傳感器之間的同步技術、電池單體及電池組的狀態(荷電狀態、健康狀態、功能狀態、能量狀態、安全狀態等)估計技術、電池組一致性辨識與均衡技術、安全充電和故障診斷技術。

動力電池安全性主要包括以下幾個方面:

1.動力電池結構安全
振動、機械沖擊、跌落、擠壓、翻轉、碰撞、刺穿
2.動力電池電安全
過充電、過放電、短路、低溫充電、電擊(系統)、灰塵污染、涉水、水淹、火燒、濕氣
3.熱安全
外部高溫、大阻抗
4.化學安全
腐蝕性、可燃性
5.功能安全(BMS)
BMS設計冗余功能、電磁兼容
6.環境安全
溫度沖擊、濕熱循環、高海拔、電磁兼容
7.生命周期安全
全生命周期內動力電池(系統)的機械安全、電安全、熱安全、濫用安全、環境安全和三防安全性能

從電池系統安全來講,最終的結果是關注熱安全和電安全,在這兩個終極目標的外圍是前幾道防線:

(1)正常工作情況下防護(防塵防水、防結構侵入和損失、正?;肪吃睪桑何露瘸寤?、濕熱循環、高海拔、耐干擾);
(2)濫用情況下的防護(過充、過放、短路、低溫充電、高溫用電);
(3)事故情況下的防護(跌落、擠壓、翻轉、碰撞、針刺、火燒、熱失控、海水浸泡)。

動力電池安全性問題來自其能量釋放,形式包括電能釋放和化學能釋放。電能釋放形式形成的安全性問題表現為電擊(主要指6V以上的高壓系統)化學能釋放引起的安全性問題最終表現形式為熱失控和熱失控擴展引起的燃燒或爆炸


動力電池熱失控與擴展分析

熱失控誘因:所謂熱失控(thermal runaway)是指單體電池放熱連鎖反應引起電池自溫升速率急劇變化,不可逆,引起過熱、起火、爆炸現象。

熱失控擴展(thermal runaway propagation)是指電池包,或者電池系統內容的單體電池或者電池模組單元熱失控,并觸發電池系統中相鄰或其他部位的動力電池的熱失控的現象。

圖6為清華大學得到的三元材料的鋰離子動力電池熱失控的機理,可以看到熱失控發生時,各種材料相繼發生熱化學反應,放出大量的熱量,形成鏈式反應效應,使得電池體系內部溫度不可逆快速升高。鏈式反應過程中,電解液氣化及副反應產氣造成電池體系內壓力升高,電池噴閥破裂后,可燃氣體被點燃發生燃燒反應。單體電池的熱失控特性表現為其組成材料反應熱特性的疊加。

鋰離子動力電池單體熱失控鏈式反應機理

圖6 鋰離子動力電池單體熱失控鏈式反應機理

(1)熱失控主要誘因包括:機械誘因、電誘因和熱誘因,如圖7所示。以上誘因可單獨或者結合引發熱失控。

熱失控誘因

圖7 熱失控誘因

機械誘因引發的熱失控及擴展引起火災的典型案例包括全球銷量領先的美國通用公司的VOLT插電式混合動力轎車在碰撞后發生著火的研究結果,如圖8所示。以及全球最受歡迎的純電動轎車特斯拉ModelS運行過程中由于底盤被路上突出物刺穿,引發著火,如圖9所示。

碰撞引發VOLT插電式電動汽車著火

圖8 碰撞引發VOLT插電式電動汽車著火

底盤刺穿引發特斯拉著火

圖9 底盤刺穿引發特斯拉著火

電誘因引發的電動汽車著火的案例中典型代表是中國某品牌公交車在充電站由于過充電引發著火事件(如圖10所示),以及特斯拉ModelS在冬季低溫充電發生著火的事故等,如圖11所示。

電動公交車過充引發著火

圖10 電動公交車過充引發著火

低溫充電引發著火

圖11 低溫充電引發著火

熱觸發熱失控引起電動汽車起火的典型例子是一輛豐田普銳斯插電式混合動力轎車在運行中起火,其原因是一個連接部件的松動使得系統產生高溫,從而引發電池包的熱失控與擴展。

電動汽車高壓系統在水浸泡可觸發熱失控,從而引起電動汽車著火,典型案例是南京純電動公交車在大雨過后的積水里浸泡后一段時間后著火,如圖12所示。

純電動客車在水中浸泡一段時間后著火

圖12 純電動客車在水中浸泡一段時間后著火

以上熱失控誘因是直接可觀的,除此之外,對于使用中的電動汽車有一個生命周期安全性問題,比如使用一段時間的電動汽車在無任何觸發事件情況下會發生由電池部件的熱失控引發的自燃,如圖13所示公交車在場站靜置??渴弊勻?,并且引燃了附近??康墓懷?,造成較大損失。

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(2)熱失控機理:在外部誘因作用下,經過演變過程,電池事故將會進入“觸發”階段。一般地,進入觸發階段之后,鋰離子動力電池內部的能量將會在瞬間集中釋放,此過程不可逆且不可控,即熱失控。熱失控后的電池發生劇烈升溫,在高溫下可以觀察到冒煙、起火與爆炸等危險現象。 

當然,從廣義的“安全性”的定義來看,電池安全事故中,也可能不發生熱失控。比如電池發生碰撞事故后并不一定發生熱失控;而電池組絕緣失效造成人員高電壓觸電,電池漏液產生異味造成車載人員身體不適等情況下,電池也不會發生熱失控。在動力電池系統的安全設計當中,以上情況都需要考慮。而熱失控則是安全性事故最常見的事故原因,也是鋰離子動力電池安全性事故特有的特點。大量實驗現象表明,熱失控后的電池不一定會同時發生冒煙、起火與爆炸,也可能都不發生,這取決于電池材料發生熱失控的機理。 

圖14與圖15展示了某款具有三元正極/PE 基質的陶瓷隔膜 / 石墨負極的鋰離子動力電池的熱失控機理。 

圖14為該款鋰離子動力電池絕熱熱失控實驗中的溫度與電壓曲線,根據其熱失控溫度變化的特征,將熱失控過程分為了7個階段。在不同階段,電池材料發生不同的變化。 圖15通過一系列的圖片解釋了各個階段電池材料的變化情況。

某款三元鋰離子動力電池熱失控實驗

圖14 某款三元鋰離子動力電池熱失控實驗

某款三元鋰離子動力電池熱失控不同階段的機理示意圖

圖15 某款三元鋰離子動力電池熱失控不同階段的機理示意圖

對于冒煙的情況而言,在階段V,如果電池內部溫度低于正極集流體鋁箔的熔化溫度660℃,電池正極涂層就不會隨著反應產生的氣體噴出,此時觀察到的會是白煙;而如果電池內部溫度高于660℃,正極集流體鋁箔熔化,電池正極涂層隨著反應產生的氣體大量噴出,此時觀察到的會是黑煙。

對于起火的情況而言,熱失控事故中的起火一般是由于電解液及其分解產物被點燃造成的。所以,從階段II開始,從安全閥泄漏出來的電解液就有可能被點燃而起火。 從燃燒反應的三要素(可燃物,氧氣,引燃物)來看,可燃物即是電解液;氧氣在電池內部存在不足,因此電解液需要泄漏出來才會發生起火;引燃物可能來自于電池外短路產生的電弧,也可能來自熱失控時,高速噴出的氣體與安全閥體摩擦所產生的火星。

對于爆炸的情況而言,爆炸一般表現為高壓氣體瞬間擴散造成的沖擊。電池內部具有高壓氣體積聚的條件,而安全閥則是及時釋放高壓積聚氣體的關鍵。安全閥體如能在電池殼體破裂之前開啟,并釋放足夠多的在熱失控過程中產生的高壓氣體,電池就不會發生爆炸;安全閥體如不能及時開啟,就可能會發生爆炸事故。

動力電池安全性技術標準需求

安全性測試標準對于提升動力電池的安全性水平尤為重要?;諫鮮齠Φ緋匕踩暈侍獾氖嶗?,對相應的安全性技術測試標準提出了迫切的需求。目前國內采用的動力電池安全性測試的標準主要包括 《GB/T 31485-2015電動汽車用動力蓄電池安全要求試驗方法循環壽命要求及試驗方法》和《GB/T 31467.3-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分:安全性要求與測試方法》。GB/T31485-2015主要考核動力電池單體和模組的安全指標,圍繞化學能的防護,給出了一系列濫用情況以及極端情況下的安全要求和檢驗規范。GB/T31467 側重于電池包或電池系統級的檢驗規范。GB/T 31467.3-2015 主要針對安全要求和測試方法做了明確的規定。結合GB/ T31485-2015,構成了從電池單體、模組、到動力電池包和動力電池系統的完整的化學能防護規范。目前,總體上動力電池相關測試標準較國外嚴格。

GB T31485-2015 標準測試內容

表3 GB/T31485-2015 標準測試內容

GB T31467.3 測試內容

表4 GB/T31467.3 測試內容

目前動力電池安全性標準與需求

表5 目前動力電池安全性標準與需求

通過上述分析可以看出,在動力電池安全性標準方面,目前???、系統對熱失控的防熱誘因測試方面,以及單體、模組和系統的生命周期安全性測試標準缺失,亟待研究與制定。現行國家安全標準主要針對源自電池外部因素的安全風險,尚無檢測電池內部熱失控的項目。 

目前,經動力電池創新聯盟對高比能量動力電池安全性的測試結果顯示,國內企業高比能量的三元電池安全性不達標比例較高,生產一致性較低,電池比能量提高時,安全風險加大,所收集數據中,未能通過標準檢測的電池單體均為超過150Wh/kg的高比能量電池,且高比能量電池一旦發生熱失控,易發生起火爆炸。

提高安全性的技術手段:

(1)單體安全性技術提升
提高動力電池單體安全性的技術手段主要包括:
提高材料安全性,比如開發高全電池材料,改變電解液的有機溶劑成分,采用陶瓷隔膜,在電解液中增加阻燃劑等;改進工藝提高安全性;采用自發熱控制技術,比如阻斷放熱副反應的正反饋過程等;增加?;ご朧?,降低外部觸發因素發生概率(過充、過熱、短路、擠壓、穿刺等)。
(2)電池模組安全性提升
動力電池成組安全性技術包括集成化、??榛際鹺頭庾凹際醯?。
(3)電池系統安全性提升
動力電池系統的安全性提升依賴于先進的 BMS 技術、熱管理系統、構型技術、防護系統設計和?;さ緶返?。其中 BMS 功能應該至少包括:電池參數檢測(SOC、SOH、SOE)、故障診斷、安全控制與報警、充電控制、均衡、溫度控制、功能安全、EMC 等。

動力電池系統安全性提升主要在以下幾個方面

機械安全
強度機械部件的剛度校核,實現殼體等具有固定、柔性、緩沖性能,密封技術;
電氣安全
電器件布局,電聯接可靠性,防護、絕緣、電氣間隙,高壓?;?,等電位;
功能安全
濫用?;?、過壓/欠壓/過流?;?、高低溫閥值、碰撞時斷高壓、ASIL評定與管理;
策略安全
高低壓互鎖、高低壓隔離、充放電策略、安全預警和?;?;
工藝安全
電器件布局,電聯接可靠性,防護、絕緣、電氣間隙,高壓?;?,等電位;
運維安全
手動維修開關、快速維修口、安全標示、警示信息、防護和包裝;
環境安全
溫度監控和熱管理,防火、阻燃、防水、防腐蝕,EMC和EMR,高IP防護等級;
碰撞安全
防護系統,提高框架剛度;
防爆安全
泄壓裝置、防止熱失控。

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