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電動汽車用動力電池?zé)釘U散測試項目解析

2020-07-31 22:32:05·  來源：電動學(xué)堂  
　
電動汽車用動力電池?zé)釘U散測試項目的主要目的就是驗證電動汽車整車或者電池系統(tǒng)應(yīng)對動力電池單體發(fā)生熱失控時能否有效保護駕乘人員安全逃生的能力，也正是隨著產(chǎn)
電動汽車用動力電池?zé)釘U散測試項目的主要目的就是驗證電動汽車整車或者電池系統(tǒng)應(yīng)對動力電池單體發(fā)生熱失控時能否有效保護駕乘人員安全逃生的能力，也正是隨著產(chǎn)品的推廣應(yīng)用及行業(yè)對產(chǎn)品的認(rèn)識不斷加深，才推動了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的不斷完善。
 
鋰離子電池的熱失控原因有很多，歸納起來包括：濫用造成電池內(nèi)短路，包括機械濫用、電濫用、熱濫用及多種應(yīng)力綜合作用。這些情況已經(jīng)在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中進行了相關(guān)的安全性要求。
1標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)介紹
目前涉及到動力電池?zé)釘U散的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)主要包括SAE J 2464、UL 2580以及即將發(fā)布的GBXXX《電動汽車用動力蓄電池安全要求》和正在研究中的GTR No.20。其中SAE J 2464、UL 2580以及即將發(fā)布的GBXXX《電動汽車用動力蓄電池安全要求》均已經(jīng)有正式的測試要求公開發(fā)布，所以本文主要介紹在這3項標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于熱擴散的要求。
 
1.1 SAE J 2464-2009
項目名稱為被動擴散阻力測試（Passive Propagation Resistance Test）測試對象為模塊/電池包；測試目的是該測試評估被測設(shè)備（DUT）承受單個電池?zé)崾Э厥录哪芰?，以便熱失控事件不會傳播到相鄰電池。建議DUT制造商首先在模塊級執(zhí)行這些測試。
 
測試方法如下：樣品處于100%荷電狀態(tài)（SOC），在55℃或者樣品最高允許工作溫度條件下進行測試。要求5min內(nèi)將樣品加熱至400℃或樣品發(fā)生熱失控，可以選擇其他方法觸發(fā)熱失控（觸發(fā)方法需要以報告形式詳細描述）。標(biāo)準(zhǔn)推薦進行至少5個位置的測試以便能夠獲得試驗的普遍性。
 
數(shù)據(jù)記錄如下：溫度、電壓、試驗前后絕緣電阻、照片、視頻、起火、爆炸、物質(zhì)泄漏的描述等。
 
1.2 UL 2580
項目名稱為內(nèi)部火燒測試（Internal fire exposure test）；測試目的為儲能系統(tǒng)應(yīng)具備阻止由于一個單體電池失效而引起的起火或者爆炸事故；測試條件為滿電狀態(tài)的儲能系統(tǒng)進行SAE J 2464中的被動擴散阻力測試（Passive Propagation Resistance Test）測試。在一定的條件下可以使用一個或多個模組進行測試。

 
1.3 GBXXXX 熱擴散測試
項目名稱為熱擴散；項目要求如下：電池包或系統(tǒng)在由于單個電池?zé)崾Э匾馃釘U散，進而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險之前5min，應(yīng)提供一個熱事件報警信號（服務(wù)于整車熱事件報警，提醒乘員疏散）如果熱擴散不會產(chǎn)生導(dǎo)致車輛乘員危險的情況，則認(rèn)為該要求得到滿足。進一步明確了對于人員保護的要求，明確了熱擴散測試項目的目的和應(yīng)用場景。
 
由于該項目僅在標(biāo)準(zhǔn)中給出了參考的試驗方法和部分關(guān)鍵參數(shù)的建議取值，給制造商較大的空間針對各自產(chǎn)品的特點進行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計、試驗驗證。同時為了能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量，制造商應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求提供“制造商定義的熱事件報警信號說明”“說明電池包或系統(tǒng)安全性技術(shù)文件方檢測機構(gòu)依據(jù)制造商提供的技術(shù)文書、試驗程序進行結(jié)果驗證的檢測報告，如表1所示。
 
對于熱擴散試驗項目而言盡管企業(yè)具有一定的空間設(shè)置試驗程序，但是試驗項目的基本流程是不能改變的。熱擴散試驗的流程如圖1所示。
 
對于一款電池包，選擇其中的某個電池單體作為熱失控觸發(fā)對象，觸發(fā)電池單體發(fā)生熱失控，一般情況下電池管理系統(tǒng)會在電池?zé)崾Э匕l(fā)生的情況下發(fā)出報警信號。當(dāng)一只電池單體發(fā)生熱失控之后，由于電池的設(shè)計、電池材料體系特點等影響，電池可能會發(fā)生熱擴散（即其他電池發(fā)生熱失控），也可能未發(fā)生熱擴散。但是不論是哪一種情況，仍然會產(chǎn)生兩種不同的結(jié)果，電池包最終表現(xiàn)出了對人員的危險（如起火、爆炸）或者電池包未表現(xiàn)出對人員的危險。在這個測試中的關(guān)鍵參量就是從報警信號發(fā)出到發(fā)生危險的時間間隔，也就是人員的有效逃生時間。
 
2熱擴散測試中的關(guān)鍵點
雖然目前已經(jīng)有多個標(biāo)準(zhǔn)提出了熱擴散試驗項目的方法和要求，但是也正是由于電池系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性和多樣性，導(dǎo)致熱擴散試驗中存在較多的變量和不確定性，所以在GBXXX《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中才提出技術(shù)文件與試驗驗證相結(jié)合的方案，既給企業(yè)提供了足夠的空間避免干預(yù)企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計和技術(shù)的發(fā)展，同時又堅守住動力電池系統(tǒng)安全性的底線。在動力電池系統(tǒng)熱擴散測試過程中，有若干個值得注意的關(guān)鍵問題，如圖2所示。
 
2.1豁免條件
雖然目前廣泛應(yīng)用于電動汽車的鋰離子電池大多存在發(fā)生熱失控的風(fēng)險，但是隨著技術(shù)的進步及產(chǎn)業(yè)對安全性的關(guān)注，相信一定存在或者未來會出現(xiàn)一些特別安全的電池，此類電池不發(fā)生熱失控。那么針對這類電池，該設(shè)置何種條件進行豁免呢？一種思路是通過對產(chǎn)品的構(gòu)成或者特征參數(shù)來進行限定，但是這種方法并不能解決所有問題，尤其對未來新技術(shù)產(chǎn)品，具有較大的局限性；另一種思路是通過一定的測試項目來判斷電池是杏具備豁免條件，該方法具有一定的普適性，且不存在技術(shù)局限性。因此企業(yè)在實際開展研發(fā)試驗工作時，應(yīng)該根據(jù)實際情況選擇合適的方法，并對產(chǎn)品安全性做出合理評估。
2.2觸發(fā)方法的選擇
觸發(fā)方法首先應(yīng)該基于電池?zé)崾Э氐脑恚谑г砩蠎?yīng)該最大限度地保持一致；其實該方法還應(yīng)該具備高重復(fù)性和可操作性再次，該方法在參數(shù)的選擇上具有較大的容錯能力，在較大的范圍內(nèi)均不會影響試驗結(jié)果。
2.3觸發(fā)位置的選擇
從試驗驗證的日的觸發(fā)，觸發(fā)位置應(yīng)該選擇在最嚴(yán)苛的試驗條件下，以確保樣品在最嚴(yán)苛的情況下的安全性表現(xiàn)。但是在實際的測試工作中，可操作性決定了實際可選擇的范圍是有限的，這往往導(dǎo)致不能窮盡所有的方案進行測試驗證。觸發(fā)位置的選擇難點在于如何平衡嚴(yán)苛的測試條件和試驗可操作性這兩個問題。對企業(yè)進行產(chǎn)品性能驗證而言，可以通過高精度的仿真模型的搭建，結(jié)合有限的試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)各種試驗條件下安全性能的評估。
2.4逃生時間
現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中給出的逃生時間是基于部分大巴車的試驗研究，而針對不同的車型應(yīng)用場景，針對不同的事故場景：
（1）考慮不發(fā)生事故的逃生時間時，駕乘人員意識清醒且可自由活動，所需時間就會比較短；
（2）考慮發(fā)生交通事故的情況時，還需要考慮救援人員施救所需的時間，事故形態(tài)的多樣性就會導(dǎo)致救援時間的巨大差異。因此企業(yè)應(yīng)充分考慮產(chǎn)品定位并結(jié)合應(yīng)用場景進行設(shè)計與驗證。
2.5危險的定義
外部起火和爆炸一定會給人員帶來危險，但是除此之外的有毒煙氣、可燃煙氣等是否應(yīng)該考慮，如何進行測試，設(shè)置何種條件和限值，是否會產(chǎn)生漏電及人員遭受電擊的情況等也應(yīng)該是產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點。
2.6其他
報警信號是試驗中的關(guān)鍵節(jié)點，而如何避免誤報或者有效識別誤報的方法對于測試的有效開展至關(guān)重要。熱擴散試驗結(jié)果的復(fù)雜性來源于試驗方法的復(fù)雜性、試驗流程長、試驗對象復(fù)雜等幾個方面，因此設(shè)置合理的試驗條件、約束試驗過程以確保試驗結(jié)果的重復(fù)性，才能夠使得企業(yè)在試驗驗證中在得重復(fù)有效可比較的數(shù)據(jù)。
3研究方向
熱擴散測試是對電池系統(tǒng)安全設(shè)計有效性的試驗驗證，在產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)中，動力電池系統(tǒng)熱擴散問題研究方向如圖3所示。
 
（1）鋰離子電池系統(tǒng)熱擴散機理及規(guī)律研究
結(jié)合現(xiàn)有動力電池?zé)崾Э丶盁釘U散研究中的電、熱領(lǐng)域已經(jīng)取得的研究成果，重點突破結(jié)構(gòu)變化、化學(xué)成分變化等機械、化學(xué)反應(yīng)方面的測試難題，獲取有效快速的測試方法，通過試驗數(shù)據(jù)采集和仿真分析，提取出影響動力電池?zé)釘U散發(fā)展過程的關(guān)鍵參數(shù)和關(guān)鍵過程，并重點研究動力電池系統(tǒng)在熱擴散發(fā)生、發(fā)展過程中關(guān)鍵參量的變化規(guī)律，建立基于電、熱、機械、化學(xué)多物理場藕合的單體熱失控及系統(tǒng)熱擴散模型，揭示動力電池系統(tǒng)熱擴散發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律。
（2）鋰離子電池系統(tǒng)熱擴散防范應(yīng)對機制及應(yīng)用技術(shù)研究
基于單體熱失控及系統(tǒng)熱擴散模型，從熱失控觸發(fā)誘因、熱失控發(fā)生過程的關(guān)鍵節(jié)點出發(fā)，通過電壓、電流、溫度、壓力和氣體成分等多種信號的采集和綜合分析，建立動力電池系統(tǒng)熱失控早期預(yù)警控制策略，并對相應(yīng)的控制策略進行試驗驗證；研究熱擴散發(fā)展過程中的關(guān)鍵節(jié)點及核心影響因素，通過試驗和仿真手段，對理離子電池?zé)釘U散延緩、阻斷機制和方法進行研究，有針對性地制定鋰離子電池系統(tǒng)熱擴散逐級主被動防范應(yīng)對機制，并通過試驗驗證隔離措施的有效性，在電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、傳熱和電連接設(shè)計等方面提供指導(dǎo)。
（3）鋰離子電池系統(tǒng)熱擴散危害及防護措施研究
明確動力電池?zé)崾Э刂聻?zāi)過程中產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)的種類和數(shù)量，建立有毒有害物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫；從熱釋放速率、總放熱量、危害物生成速率等火災(zāi)動力學(xué)特性出發(fā)，定量分析著火、爆炸和有毒煙氣等對乘員、電動汽車及周邊的危害性，進一步研究動力電池系統(tǒng)熱擴散發(fā)生后的潛在危害原理。在以上研究成果的基礎(chǔ)上，明確鏗離子電池系統(tǒng)熱擴散危害的防護要求，從熱防護、火災(zāi)防護、有毒煙氣防護等幾個方面，提出在產(chǎn)品應(yīng)用過程中的有效防護措施和建議。
 
 
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