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某動(dòng)力電池?zé)崾Э匕踩O(shè)計(jì)
2020-02-27 00:15:56· 來源：《某動(dòng)力電池?zé)崾Э匕踩O(shè)計(jì)》
1 引言新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，自2014年產(chǎn)量大幅上升達(dá)到84900輛，2015年猛增至37.9萬輛；2016年累計(jì)生產(chǎn)新能源汽車51.7萬輛，同比增長(zhǎng)36.4%。動(dòng)力電池作為新
1 引言
新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，自2014年產(chǎn)量大幅上升達(dá)到84900輛，2015年猛增至37.9萬輛；2016年累計(jì)生產(chǎn)新能源汽車51.7萬輛，同比增長(zhǎng)36.4%。動(dòng)力電池作為新能源汽車核心零部件，其發(fā)展緊隨整體市場(chǎng)趨勢(shì)。從動(dòng)力電池歷年出貨量看，2015年開始動(dòng)力電池跟隨新能源汽車產(chǎn)銷量崛起，從2014年的3.7Gwh的出貨量躍居至2015年15.7Gwh，同比增長(zhǎng)超過3倍。2016年1-10月有產(chǎn)量的新能源汽車搭載電池總量達(dá)13.9Gwh，與去年同期相比增長(zhǎng)78%，與去年全年動(dòng)力電池出貨量相差無幾。
隨著電動(dòng)汽車的存量增加，電動(dòng)汽車安全事故明顯增多，成為關(guān)注熱點(diǎn)；據(jù)中國電動(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?。?dòng)力電池?zé)崾Э匕踩夹g(shù)研究引起國內(nèi)外學(xué)者廣泛重視。
在電池單體熱失控安全技術(shù)方面，發(fā)展出如下技術(shù)方面突破：電解液改進(jìn)，正極材料改進(jìn)，隔膜改進(jìn)，表面包覆，泄壓閥及PTC電阻等。在電池成組熱失控方面，國內(nèi)外主要在如下方面展開研究：結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)，BMS安全，冷卻系統(tǒng)，主動(dòng)安全技術(shù)等。電池系統(tǒng)及成組結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)主要包括熱傳播阻斷設(shè)計(jì)，閥泄通道設(shè)計(jì)，PTC電阻及熔斷器設(shè)計(jì)等；BMS安全包括參數(shù)檢測(cè)，BMS均衡技術(shù)等；冷卻系統(tǒng)包括空氣冷卻，液體冷卻，相變材料冷卻等；主動(dòng)安全技術(shù)包括滅火，防爆設(shè)計(jì)等技術(shù)。
電池單體熱失控研究取得很大進(jìn)展，但國內(nèi)外仍時(shí)有安全事故發(fā)生。電池系統(tǒng)成組技術(shù)在其中的作用需進(jìn)行深入研究及實(shí)踐驗(yàn)證?；诖罅繜崾Э匕踩囼?yàn)及電池系統(tǒng)成組設(shè)計(jì)實(shí)踐，為解決電池?zé)崾Э匕踩珕栴}，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用了主回路熔斷器防護(hù)，采集回路過流防護(hù)，安全爬電距離、電氣間隙設(shè)計(jì)，分布式電芯外短路保護(hù)設(shè)計(jì)，多維模組熱擴(kuò)展結(jié)構(gòu)防護(hù)，透氣防爆裝置，主動(dòng)滅火裝置等結(jié)構(gòu)、電氣、主動(dòng)安全措施。通過大量安全措施的研究及應(yīng)用，電池系統(tǒng)安全性能得到大幅提升。產(chǎn)品開發(fā)過程中，通過熱失控安全試驗(yàn)對(duì)安全性能進(jìn)行了驗(yàn)證，確認(rèn)了熱失控安全設(shè)計(jì)的效果。
2 熱失控及傳播原理
動(dòng)力電池?zé)崾Э乜捎蓡误w內(nèi)部因素及外部因素引起。內(nèi)部因素一般為過充、低溫充電、負(fù)極缺陷等導(dǎo)致負(fù)極形成的化合物穿透隔膜引發(fā)短路，或電池內(nèi)部雜質(zhì)刺穿隔膜引發(fā)短路等；外部因素包括正負(fù)極短路，大電流放電，高溫，擠壓、針刺等。由于單體內(nèi)部或外部因素的發(fā)生，電池單體溫度持續(xù)升高；以鋰離子電池為例，單體高于60℃時(shí)，SEI膜開始分解，全部分解后露出負(fù)極表面；隨著電池溫度的提升，電池隔膜高溫收縮，正負(fù)極活性物質(zhì)接觸，發(fā)生短路，瞬間釋放出大量的熱量。短路點(diǎn)高溫進(jìn)一步導(dǎo)致正極氧化物分解，釋放出游離狀態(tài)氧，并與有機(jī)電解液發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出更多的熱量，最終導(dǎo)致電池發(fā)生起火爆炸。
電池單體發(fā)生起火爆炸后，一方面通過模塊連接部分向其它單體進(jìn)行熱傳導(dǎo)，另一方面通過熱對(duì)流、熱輻射向其它單體進(jìn)行傳熱，模塊或電池系統(tǒng)的散熱裝置也將起到傳熱的作用；而單體的持續(xù)升溫將導(dǎo)致熱失控發(fā)生，從而熱失控從一個(gè)單體擴(kuò)展到其他單體。一個(gè)單體的熱失控短路將引起其它單體的外短路，而短路繼續(xù)引起其他單體溫度升高，從而引起單體的熱失控?cái)U(kuò)散。一個(gè)單體熱失控起火爆炸后的火焰和噴射出的內(nèi)部物質(zhì)將直接對(duì)其他單體產(chǎn)生瞬間加熱作用，造成其他單體的短路和溫度升高，從而引發(fā)熱失控。單個(gè)電芯的爆炸起火還有可能引起其他線束、覆蓋件的起火，從而再次引發(fā)其他電芯的溫度升高，發(fā)生熱失控現(xiàn)象，見圖1。
根據(jù)電池?zé)崾Э丶皞鞑C(jī)理，可提高單體電池性能，防止熱失控的發(fā)生；同時(shí)在成組技術(shù)方面可采取熱失控阻斷技術(shù)，在單個(gè)電池?zé)崾Э貢r(shí)不擴(kuò)散到其它單體。熱失控阻斷技術(shù)主要在熱傳播和擴(kuò)散的路徑進(jìn)行處理，以達(dá)到阻斷電池單體發(fā)生連鎖熱失控反應(yīng)的目的。例如阻斷或降低熱輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)對(duì)周圍單體的影響；使用散熱系統(tǒng)或主動(dòng)安全技術(shù)對(duì)單體進(jìn)行快速降溫；使用噴射導(dǎo)流技術(shù)防止噴射物對(duì)其他單體的影響；使用過流防護(hù)、短路防護(hù)、熔斷技術(shù)防止一個(gè)單體的短路影響其它單體；通過阻燃材料的使用防止單體周圍材料的燃燒引起單體熱失控連鎖反應(yīng)，通過對(duì)電氣件安全爬電距離，電氣安全間隙的設(shè)計(jì)防止外短路的發(fā)生等。根據(jù)引起熱失控的內(nèi)部因素和外部因素，可針對(duì)性的設(shè)計(jì)相應(yīng)防護(hù)措施，從單體-模組-電池包三個(gè)級(jí)別逐級(jí)控制，在熱失控傳播路徑上形成安全防護(hù)網(wǎng)，達(dá)到保證整車安全的目的，見圖2。
3 熱失控安全設(shè)計(jì)
3.1 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)
某動(dòng)力電池系統(tǒng)成組設(shè)計(jì)過程中，采用多維模組熱擴(kuò)展防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效解決電池單體熱失控向外擴(kuò)展問題?；趪娚鋵?dǎo)流技術(shù)，設(shè)計(jì)電池單體熱失控火焰噴出點(diǎn)熱擴(kuò)散防護(hù)結(jié)構(gòu)。通過噴射導(dǎo)流裝置將熱失控散發(fā)的火焰及熱量導(dǎo)出到模組外部，并通過逐級(jí)降溫避免了噴出的高溫氣體和火焰等熱量傳遞到周邊電池單體，見圖3。多維模組熱擴(kuò)散防護(hù)結(jié)構(gòu)在電池單體安全閥位置增加阻燃隔熱層，并在隔熱層中間設(shè)計(jì)一定間隙，單體熱失控后高溫氣體和火焰會(huì)通過隔熱層間隙導(dǎo)出到模組外部。由于隔熱層阻燃及隔熱作用，高溫氣體和火焰不會(huì)對(duì)周邊單體造成影響，避免了周邊單體熱失控條件的達(dá)成。阻燃復(fù)合材料的使用在熱擴(kuò)散防護(hù)結(jié)構(gòu)中起到關(guān)鍵作用，同時(shí)還廣泛應(yīng)用于動(dòng)力電池系統(tǒng)中，例如模組支承結(jié)構(gòu)，電池包上蓋，高低壓線束等。其中結(jié)構(gòu)件的阻燃等級(jí)100%達(dá)到UL94-V0等級(jí)；電氣件的阻燃等級(jí)均達(dá)到UL94的V-1等級(jí)以上，關(guān)鍵電氣件UL94-V0等級(jí)覆蓋率100%。通過阻燃復(fù)合材料的使用，不僅增加了動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性能，同時(shí)起到了輕量化的作用。通過阻燃復(fù)合材料的動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)用，電池系統(tǒng)整體降重10%。
3.2 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、模組過流保護(hù)、電芯過流保護(hù)等過流分級(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)。
3.2.1 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)首先需要遵照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T18384.1）進(jìn)行設(shè)計(jì)；在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還需根據(jù)環(huán)境因素所帶來的影響對(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)過程中，通過模組及線束布置優(yōu)化，電氣間隙達(dá)到55mm以上，爬電距離達(dá)到200mm以上。
3.2.2 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)單體外部由于其他保護(hù)元器件失效導(dǎo)致瞬間大電流通過串聯(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^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,見圖4。
3.2.3 低壓系統(tǒng)安全
動(dòng)力電池管理系統(tǒng)需要對(duì)每一個(gè)單體電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，由于電壓采集線數(shù)量多，成線束后由于連接器失效、導(dǎo)線絕緣皮破損等問題容易造成短路引起線路起火，另外，當(dāng)電池箱體密封失效時(shí)電池箱體內(nèi)部進(jìn)水也有可能造成短路，為防止電壓采集線的短路故障，在電壓采集線電源端設(shè)置采集線路過流防護(hù)熔斷器，當(dāng)發(fā)生上述故障時(shí)起到有效防護(hù),見圖5。
3.3 主動(dòng)安全設(shè)計(jì)
動(dòng)力電池系統(tǒng)使用環(huán)境/運(yùn)行工況非常復(fù)雜，安全性能可能遭受各種問題的考驗(yàn)。電池包PACK根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，在這種環(huán)境下除非真空，否則正常工作中會(huì)發(fā)熱膨脹，這時(shí)需要平衡內(nèi)外氣壓，通過防爆閥應(yīng)用可解決以上問題。在電池系統(tǒng)機(jī)械、電氣等安全措施失效時(shí)，可通過主動(dòng)滅火技術(shù)應(yīng)用，為乘客留出一定的逃生時(shí)間，甚至將較小火勢(shì)撲滅，防止熱擴(kuò)展的發(fā)生。
3.3.1 防爆裝置開發(fā)及應(yīng)用
防爆裝置的應(yīng)用能夠在達(dá)到IP67的防護(hù)等級(jí)和平衡內(nèi)外氣壓的基礎(chǔ)上大幅提升安全系數(shù)。目前國內(nèi)市場(chǎng)上主要是EPV防爆閥，其存在兩個(gè)問題：一是透水氣：EPV防爆閥為透氣性防爆閥，防水等級(jí)為IP67，但是不能有效隔離水氣進(jìn)入電池包，容易造成電池包內(nèi)部零件腐蝕、電氣短路、絕緣阻值降低，報(bào)絕緣故障；二是防爆作用：EPV防爆閥爆破壓力為25-30KPa，而電池包滿足IP67要求的內(nèi)外壓差為10KPa，因此在電池包內(nèi)部熱失控后，密封失效和防爆閥爆破的順序有待驗(yàn)證。
為更有效防止電池包爆炸，開發(fā)設(shè)計(jì)利用簧片的彈性特點(diǎn)，根據(jù)爆破壓強(qiáng)設(shè)計(jì)簧片臨界反轉(zhuǎn)點(diǎn)的機(jī)械非透氣性防爆閥。防爆閥工作過程中存在3個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，分別是原始狀態(tài)（A）、臨界狀態(tài)（B）、防爆開啟狀態(tài)（C）。在電池箱體內(nèi)氣壓增大時(shí)，當(dāng)壓強(qiáng)大于15kpa，防爆閥由A狀態(tài)開始啟動(dòng)，閥的開口面積與壓強(qiáng)成正比。隨著壓強(qiáng)進(jìn)一步增大，當(dāng)達(dá)到20kpa時(shí)，簧片位置已經(jīng)由原始狀態(tài)A點(diǎn)到達(dá)了臨界狀態(tài)B點(diǎn)，此時(shí)簧片瞬間反轉(zhuǎn)，到達(dá)防爆開啟狀態(tài)C點(diǎn)，閥的通氣面積瞬時(shí)增大，從而達(dá)到防爆的效果，見圖6。
3.3.2 主動(dòng)滅火裝置開發(fā)及應(yīng)用
動(dòng)力電池滅火技術(shù)是一項(xiàng)主動(dòng)安全技術(shù)，前期主要在大型客車及公交車上推廣，在新能源乘用車上尚未開始應(yīng)用。通過研究開發(fā)，將其在乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)中應(yīng)用。
主動(dòng)滅火裝置開發(fā)的核心是滅火材料的選用，決定最終滅火最終效果及裝置本身的輕量化、可靠性設(shè)計(jì)；本動(dòng)力電池滅火裝置采用清潔、無毒、可清理的滅火材料，該滅火材料不會(huì)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)造成破壞，經(jīng)過維修更換失火模塊后可動(dòng)力電池繼續(xù)使用；該滅火材料是無毒的，不會(huì)對(duì)乘客造成影響，也不會(huì)對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)造成污染；該滅火材料存儲(chǔ)有效期長(zhǎng)，穩(wěn)定性高，可保證電池系統(tǒng)生命周期不需維修更換。滅火裝置另一重要部分為火災(zāi)探測(cè)裝置，決定滅火裝置能否適時(shí)啟動(dòng)，及時(shí)滅火；本主動(dòng)滅火裝置采用多種火情探測(cè)機(jī)制，即使在車輛駐車斷電狀態(tài)仍可為動(dòng)力電池的安全性能提供保障，見圖7。
4 熱失控安全試驗(yàn)研究
動(dòng)力電池?zé)崾Э丶捌浒踩夹g(shù)發(fā)展很快，安全設(shè)計(jì)后其效果需實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)應(yīng)用了大量安全設(shè)計(jì)技術(shù)的某款動(dòng)力電池包，進(jìn)行熱失控安全試驗(yàn)，對(duì)比安全設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)際效果。為利于試驗(yàn)觀察及對(duì)比，針對(duì)未采取任何安全設(shè)計(jì)的模組和增加了安全設(shè)計(jì)的模組進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行熱失控試驗(yàn)，對(duì)比二者的差異。試驗(yàn)前將電池模組充滿電，按圖8的方式將電加熱電阻絲纏繞至最容易熱積聚的模組中間位置電芯上，直至電芯發(fā)生熱失控（溫度驟升同時(shí)伴隨電壓驟降以及起火現(xiàn)象），見圖8。
該模組采用的安全設(shè)計(jì)方案包括：使用了多維模組熱擴(kuò)展防護(hù)結(jié)構(gòu)，選用阻燃復(fù)合材料設(shè)計(jì)模塊支承架等結(jié)構(gòu)安全措施；同時(shí)設(shè)計(jì)了分布式熔斷裝置?？梢园l(fā)現(xiàn)未采用安全設(shè)計(jì)的模組持續(xù)劇烈燃燒，發(fā)生多次爆炸；而增加安全設(shè)計(jì)后的模組在強(qiáng)制同時(shí)加熱2支電芯至熱失控后，未產(chǎn)生熱蔓延，見圖9。
5 結(jié)論
電池單體熱失控研究取得很大進(jìn)展，但國內(nèi)外仍時(shí)有安全事故發(fā)生。電池系統(tǒng)成組技術(shù)在其中的作用需進(jìn)行深入研究及實(shí)踐驗(yàn)證?；诖罅繜崾Э匕踩囼?yàn)及電池系統(tǒng)成組設(shè)計(jì)實(shí)踐，為解決電池?zé)崾Э匕踩珕栴}，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用了主回路熔斷器防護(hù)，采集回路過流防護(hù)，安全爬電距離、電氣間隙設(shè)計(jì)，分布式電芯外短路保護(hù)設(shè)計(jì)，高阻燃材料應(yīng)用，多維模組熱擴(kuò)展結(jié)構(gòu)防護(hù)，透氣防爆裝置，主動(dòng)滅火裝置等結(jié)構(gòu)、電氣、主動(dòng)安全措施。通過大量安全措施的研究及應(yīng)用，電池系統(tǒng)安全性能得到大幅提升。產(chǎn)品開發(fā)過程中，通過熱失控安全試驗(yàn)對(duì)安全性能進(jìn)行了驗(yàn)證，確認(rèn)了熱失控安全設(shè)計(jì)的效果。
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