曹喜栓
摘要:動(dòng)力電池系統(tǒng)具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低而被廣泛應(yīng)用于新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為動(dòng)力的主要來(lái)源。然而,在實(shí)際使用中動(dòng)力電池系統(tǒng)可能發(fā)生機(jī)械碰撞、擠壓、針刺、過(guò)充電、過(guò)放電、內(nèi)短路及過(guò)熱等異常情況,由此造成的熱失控極易引起動(dòng)力電池系統(tǒng)著火甚至爆炸的危險(xiǎn)情況。為此,本文對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控的發(fā)生誘因展開(kāi)研究,并著重分析國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及相關(guān)的抑制手段。
關(guān)鍵詞:熱失控;動(dòng)力電池系統(tǒng)
引言
隨著電動(dòng)汽車存量增加,電動(dòng)汽車安全事故明顯增多,成為關(guān)注的熱點(diǎn)。據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)研究成果《電動(dòng)汽車安全報(bào)告》不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2015年發(fā)生電動(dòng)汽車安全事故14例,而2016年發(fā)生35例。這些發(fā)生的安全事故中,動(dòng)力電池?zé)崾Э匾鸬氖鹿收急茸畲蟆?dòng)力電池?zé)崾Э匕踩夹g(shù)研究,引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛重視。
1 動(dòng)力電池?zé)崾Э匕l(fā)生誘因
1.1機(jī)械濫用
動(dòng)力電池系統(tǒng)的機(jī)械濫用情況,是指碰撞、擠壓、穿刺、振動(dòng)等外力作用下,鋰電池單體、電池組發(fā)生變形,自身不同部位發(fā)生相對(duì)位移的情況。機(jī)械濫用發(fā)生后可能會(huì)撕裂電池單體隔膜,使電池單體發(fā)生內(nèi)部短路現(xiàn)象。強(qiáng)烈的擠壓和穿刺發(fā)生時(shí)電池單體的易燃電解質(zhì)泄漏,則會(huì)引起電池包乃至電動(dòng)汽車的燃燒。
1.2電氣濫用
1.2.1外短路
動(dòng)力電池系統(tǒng)的外短路一般是由于汽車碰撞引起的變形,浸水,導(dǎo)體污染或維護(hù)期間的電擊等情況所引起,此時(shí)當(dāng)存在壓差的兩個(gè)導(dǎo)體在電芯外部接通時(shí),外部短路就發(fā)生了。外部短路釋放的熱量并不會(huì)直接加熱電池,只有當(dāng)外部短路產(chǎn)生的熱量無(wú)法很好的散去時(shí),電池溫度才會(huì)上升,從而觸發(fā)熱失控。
1.2.2過(guò)充電
動(dòng)力電池系統(tǒng)的過(guò)充電主要是由于充電機(jī)故障、或BMS未能監(jiān)控到每單個(gè)電池的電壓而造成的。由于過(guò)充時(shí)電池的能量是充滿的,所以過(guò)充電也是電氣濫用中危害最大的一種。
1.2.3過(guò)放電
動(dòng)力電池系統(tǒng)的過(guò)放電主要是發(fā)生在BMS監(jiān)控故障,導(dǎo)致最低電壓的電芯被過(guò)放電的現(xiàn)象。在過(guò)放電期間,如BMS無(wú)法及時(shí)在電池組中具有最低電壓電池單體達(dá)到截止電壓時(shí)停止電池放電,則具有最低電壓的電池可以被串聯(lián)連接的其它電池強(qiáng)制放電,從而電池極點(diǎn)發(fā)生反轉(zhuǎn),電池電壓變?yōu)樨?fù)值,最終導(dǎo)致過(guò)放電的電池異常發(fā)熱。
1.3熱濫用
動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱濫用現(xiàn)象很少獨(dú)立存在,往往是從機(jī)械濫用和電氣濫用發(fā)展而來(lái),并且是最終直接觸發(fā)熱失控的一環(huán)。一旦溫度在濫用條件下異常升高,化學(xué)副反應(yīng)就會(huì)發(fā)生,隨后會(huì)產(chǎn)生熱-溫度-反應(yīng)(HTR)循環(huán),最終形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng),直至發(fā)生熱失控。
2 動(dòng)力電池?zé)崾Э匾种剖侄?/p>
2.1電芯材料修飾
通過(guò)對(duì)電芯材料進(jìn)行修飾阻斷熱失控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),從而提升電芯的抗熱失控的能力,目前研究主要集中在對(duì)正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜四大主材的材料修飾,如對(duì)正負(fù)材料進(jìn)行表面包覆修飾防止正極材料和電解液的接觸,對(duì)正極材料摻雜金屬元素提高電芯的熱穩(wěn)定性,在電解液中添加阻燃添加劑,開(kāi)發(fā)固態(tài)聚合物電解質(zhì),采用三層復(fù)合隔膜等。
對(duì)電芯材料進(jìn)行修飾雖然可以從根本上提升電池的安全性能,但是一定程度上會(huì)影響電池性能的發(fā)揮,而且當(dāng)強(qiáng)烈的機(jī)械濫用(如針刺)發(fā)生時(shí),電池的熱失控必然會(huì)發(fā)生,所以電池的外部預(yù)防管理也是十分必要的。
2.2電氣安全設(shè)計(jì)
電氣安全設(shè)計(jì)是電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)中最重要的部分,通過(guò)設(shè)計(jì)覆蓋整個(gè)電池系統(tǒng)的電氣安全防護(hù)體系,有效解決電氣安全問(wèn)題。首先,對(duì)電氣系統(tǒng)整體進(jìn)行電氣間隙及爬電距離優(yōu)化,為電氣奠定安全基礎(chǔ);其次,在高壓安全方面,通在主回路中設(shè)計(jì)主熔斷器、主繼電器、模組過(guò)流保護(hù)、電芯過(guò)流保護(hù)等過(guò)流分級(jí)防護(hù),消除因系統(tǒng)外部和模組與模組間短路失效造成的危害,有效防護(hù)高壓系統(tǒng)電氣安全;再次,防止因電池包浸水和采集回路導(dǎo)線及連接器失效造成的短路對(duì)電壓采集回路進(jìn)行傷害,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有電壓采集回路進(jìn)行保護(hù)。
2.2.1電氣間隙及爬電距離優(yōu)化
電氣間隙和爬電距離是電氣安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),如果動(dòng)力電池內(nèi)部帶電部件與外殼之間距離過(guò)小,很容易造成短路或者擊穿,使動(dòng)力電池殼體帶電;如果不同電位的帶電部件之間電氣間隙或爬電距離過(guò)小,同樣可能造成短路引發(fā)火災(zāi)。動(dòng)力電池電氣間隙和爬電距離設(shè)計(jì)首先需要遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T18384.1)進(jìn)行設(shè)計(jì);在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,還需根據(jù)環(huán)境因素所帶來(lái)的影響對(duì)電氣間隙及爬電距離的參數(shù)進(jìn)行修正,例如導(dǎo)體周圍絕緣材料電極化現(xiàn)象,以及導(dǎo)電部件之間或?qū)щ娏悴考c設(shè)備防護(hù)界面之間擊穿現(xiàn)象等。在某動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)模組及線束布置優(yōu)化,電氣間隙達(dá)到55mm以上,爬電距離達(dá)到200mm以上。
2.2.2高壓系統(tǒng)安全
為解決高壓線路末端電池單體外短路問(wèn)題,進(jìn)行分布式外短路保護(hù)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要作用是防止系統(tǒng)濫用的情況下,外部短路電流對(duì)電芯進(jìn)行短時(shí)間大電流充電;該短時(shí)大電流充電將造成電池單體內(nèi)部熱失控,導(dǎo)致起火爆炸。通過(guò)在每個(gè)單體通電回路中串聯(lián)一個(gè)大電流通電熔斷裝置,當(dāng)單體外部由于其它保護(hù)元器件失效導(dǎo)致瞬間大電流通過(guò)串聯(lián)熔斷裝置的單體回路,熔斷裝置進(jìn)行動(dòng)作切斷異常回路,避免大電流破壞單體,造成單體熱失控的發(fā)生。為防止主回路過(guò)載發(fā)熱和短路危險(xiǎn),在電氣系統(tǒng)主回路中設(shè)置快速熔斷器,在熔斷器選型中考慮系統(tǒng)最大電壓峰值沖擊電流的頻率和時(shí)間等因素,保證產(chǎn)品生命周期內(nèi)不因?yàn)槠诶匣^(guò)早失效,正常工作時(shí)不發(fā)生誤動(dòng)作。主回路熔斷器的設(shè)計(jì),達(dá)到了在主回路發(fā)生短路時(shí)電池單體不被損壞,以及導(dǎo)線煙化前進(jìn)行熔斷保護(hù)的目的。在熔斷器回路設(shè)計(jì)和布置過(guò)程中為降低摸組間短路發(fā)生的機(jī)率,將主熔斷器布置于模組串?dāng)?shù)的1/2處。
2.3外部預(yù)防管理
2.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)防
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)防熱失控的主要預(yù)防手段有增加熱障、振動(dòng)隔離、碰撞防護(hù)以及增加氣體排出點(diǎn)等。
增加熱障主要是指在電芯或模組之間增加間隔組件,阻止電芯之間、模組之間的熱傳導(dǎo)的發(fā)生;振動(dòng)隔離主要是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提高電池系統(tǒng)可靠性,比如安裝框架提供額外的結(jié)構(gòu)支撐、優(yōu)化設(shè)計(jì)電極端子提高電氣連接可靠性等;碰撞防護(hù)的要點(diǎn)是要在碰撞過(guò)程中保持電池包的結(jié)構(gòu)完整性,一般有后部碰撞防護(hù)、側(cè)面碰撞防護(hù)和正面碰撞防護(hù),用以吸收或分散碰撞產(chǎn)生的沖擊能量;增加氣體排出點(diǎn)則是設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)在電池?zé)崾Э厥录陂g打開(kāi)的排氣噴嘴,引導(dǎo)氣體和電池材料流向遠(yuǎn)離乘員艙的方向,降低車輛損壞和相關(guān)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。
2.3.2熱管理設(shè)計(jì)預(yù)防
電池的散熱效率對(duì)預(yù)防熱失控十分重要,所以熱管理設(shè)計(jì)預(yù)防主要是從抑制熱擴(kuò)散方面,減輕熱失控對(duì)電池的損傷。相比較自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷,液冷是散熱效率較高的一種熱管理方式,所以增加液冷系統(tǒng)是一種有效預(yù)防電池系統(tǒng)熱失控的手段。
結(jié)語(yǔ)
為了確保動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性,熱失控的防護(hù)的機(jī)理研究和預(yù)防設(shè)計(jì)是必不可少的。目前,造成動(dòng)力電池?zé)崾Э匕l(fā)生的誘因主要有機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用,而三者往往是關(guān)聯(lián)發(fā)生的。抑制熱擴(kuò)散的手段主要有電芯材料修飾、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)防、熱管理預(yù)防和BMS監(jiān)控等方式。在本文中著重對(duì)熱失控發(fā)生的誘因及抑制手段展開(kāi)了研究,總結(jié)了每種預(yù)防方法的要點(diǎn)。
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(作者單位:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所)