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基于熱擴散安全的車用動力電池箱開發(fā)研究
2021-03-03 11:15:17· 來源：Battery Insight view 作者：battery 風清揚
點擊藍字丨關注我們 本文分析了高鎳三元鋰離子動力電池的熱擴散表現(xiàn)，闡述動力電池箱體的開發(fā)，提出基于熱擴散安全要求的、合理有效的開發(fā)體系和批量技術方案，并進行試驗驗證。 ? l動力電池的熱失控和熱擴散 ? (1)熱失控和熱擴散涵義。電池單體放熱連鎖反應
本文分析了高鎳三元鋰離子動力電池的熱擴散表現(xiàn)，闡述動力電池箱體的開發(fā)，提出基于熱擴散安全要求的、合理有效的開發(fā)體系和批量技術方案，并進行試驗驗證。
l動力電池的熱失控和熱擴散
(1)熱失控和熱擴散涵義。電池單體放熱連鎖反應引起電池溫度不可控持續(xù)上升的現(xiàn)象稱為熱失控，電池包或系統(tǒng)內由一個電池單體熱失控引發(fā)的其余電池單體接連發(fā)生熱失控的現(xiàn)象稱為熱擴散。動力電池安全問題的本源是電池單體熱失控，當一個電池單體發(fā)生熱失控后，相鄰單體受到影響也會相繼發(fā)生熱失控，進而導致電池包或系統(tǒng)發(fā)生熱擴散，最終引發(fā)起火、爆炸等安全事故，嚴重威脅乘員生命安全，因此，熱失控和熱擴散是目前最受矚目、亟需解決的鋰離子動力電池安全問題。
(2)新國標對車用動力蓄電池的熱擴散安全要求。國家市場監(jiān)督管理局和國家標準化委員會于2020年5月12日發(fā)布了強制性國標GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，以替代原推薦性國標GB/T31467.3-2015，定于2021年1月1日正式實施。新國標在“熱穩(wěn)定”一節(jié)中增加了“熱擴散”條目，要求電池包或系統(tǒng)按照附錄C進行熱擴散乘員保護分析和驗證。規(guī)定了電池包或系統(tǒng)在由于單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發(fā)生危險之前5min應提供一個熱事件報警信號。
(3)新國標對熱擴散試驗和評價的規(guī)定。附錄C規(guī)定了制造商可以在針刺觸發(fā)熱失控方法或加熱觸發(fā)熱失控兩種方法中選擇一種，也可自行選擇其他方法來觸發(fā)熱失控。熱失控觸發(fā)判定條件：（a）觸發(fā)對象產生電壓降，且下降值超過初始電壓的25%;(b)監(jiān)測點溫度達到制造商規(guī)定的最高工作溫度；（c）監(jiān)測點的溫升速率dT/dt≥1°C/s，且持續(xù)3s以上。當(a)和(c)或者(b)和(c)發(fā)生時，判定發(fā)生熱失控。如果采用推薦的方法作為熱失控觸發(fā)方法，且未發(fā)生熱失控，為了確保熱擴散不會導致車輛乘員危險，需證明采用如上兩種推薦方法均不會發(fā)生熱失控。
2高鎳三元鋰離子電池的熱擴散表現(xiàn)
鋰離子電池從外部形狀可分為圓柱電池、方形電池和軟包電池，其中方形電池單體由于散熱好、易成組設計等特點應用較多。依據(jù)電池正極材料的不同，鋰離子電池可分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元材料電池等。鎳鈷錳酸鋰三元材料目前有NCM111（鎳錳鈷比例為1:1:1)、NCM523、NCM622和NCM811等幾種，其中鎳是主要的活性元素，帶來高比容量，鈷帶來良好的循環(huán)性能，錳帶來良好的安全性，因此鎳含量高和錳含量降低均不利于熱穩(wěn)定性。三元鋰離子電池對提升電池包能量密度高和整車續(xù)航里程非常有利，近年來逐步取代磷酸鐵鋰成為純電動車的主要選擇，其中有裝備了NCM811高鎳三元動力電池的純電動汽車，其NEDC綜合工況續(xù)航里程已經(jīng)突破700km。
2.1高鎳三元鋰離子電池單體的原理和熱穩(wěn)定性
(1)電化學原理。鋰離子動力電池單體主要包括正極、負極、隔膜以及電解液。充放電循環(huán)時，錘離子Li＋分別在正負極上發(fā)生”嵌入－脫嵌“反應，Li＋便在正負極之間穿越隔膜來回移動。圖1顯示了充電過程，Li＋從正極脫嵌，移動穿越隔膜嵌入負極，此時負極處于富鋰狀態(tài)，外部電路中電子e-流入負極；放電時與此相反，Li＋從負極脫嵌，移動穿越隔膜嵌入正極，此時正極處于富鋰狀態(tài)，而外部電路中電子e-經(jīng)負載流入正極。NCM811高鎳三元鋰離子電池的正極材料為鎳鈷錳酸鋰(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)，負極材料為石墨，其正負極的電化學反應見如下表達式：
(2)熱穩(wěn)定性。三元正極材料是包含鎳鈷錳的聚合物，在達到一定溫度時會發(fā)生分解，相對于磷酸鐵鋰材料需在800°C左右分解，三元材料在200°C左右就會發(fā)生分解，并且三元材料的化學反應更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應。高鎳三元鋰離子電池單體熱穩(wěn)定性較差。一旦發(fā)生針刺或加熱等觸發(fā)條件，電池單體熱失控不可避免。需要建立模組和電池包層面的熱擴散試驗，以進一步考察其熱擴散表現(xiàn)。
2.2高鎳三元鋰離子動力電池模組的熱擴散表現(xiàn)
多個方形電池單體由側板和端板將其組合在一起，通過串并聯(lián)組成電池模組。該箱蓋為
1.2mm厚度的鋁合金沖壓成型制成，箱體為鋁合金擠出型材焊接而成。如圖2所示，在模組中選擇4＃電池單體作為加熱對象來觸發(fā)熱失控，加熱裝置功率為500W，采用外電源接通加熱，熱失控觸發(fā)門檻溫度設置為65°C。加熱10min以后，單體電壓急劇下降，溫度迅速上升，此時發(fā)生熱失控，外部表現(xiàn)為由箱體壓力平衡閥噴出煙霧，同時鋁合金箱蓋上表面發(fā)生明顯鼓脹，隨后4＃電池單體上方區(qū)域出現(xiàn)明火并伴有高亮可燃物質噴發(fā)，導致箱蓋燒穿。試驗結束以后整個觸發(fā)模組上方的箱蓋出現(xiàn)大面積不規(guī)則缺口，該區(qū)域的鋁合金箱蓋經(jīng)歷金屬固體熔化再固化兩次相變，形成了不規(guī)則鋁合金凝固塊狀物。熱電偶溫度傳感器監(jiān)測到觸發(fā)單體泄壓閥處出現(xiàn)1000°C以上高溫。發(fā)生熱失控以后，迅速產生大量高溫氣體和噴發(fā)物，箱體內壓力急劇升高，高溫物質加熱鄰近電池單體，引發(fā)其他單體相繼發(fā)生熱失控，形成了熱失控蔓延，未滿足5min內無危險事件的防護要求。
3基于熱擴散安全的動力電池箱開發(fā)
車用動力電池箱一般由電池模組、電池管理模塊、箱蓋、箱體及電氣附件通過機械和電氣連接組成。圖3所示的典型動力電池箱包括8個高鎳三元鋰離子電池模組、分布式電池管理模塊、箱蓋和箱體，其中箱蓋為鋁合金沖壓成型件，箱體由鋁合金擠出件和鋁合金高壓壓鑄橫梁通過焊接組成。所有模組均平躺布置，分別固定在箱體上的橫梁上，電池單體的橢圓形泄壓閥豎直方向上正對箱蓋。
由前文所述新國標規(guī)定可知共有3種情形：(1)電池單體不發(fā)生熱失控，可判定滿足要求；（2)發(fā)生單體熱失控，但不發(fā)生熱擴散，可判定滿足要求；（3）發(fā)生單體熱失控，也發(fā)生熱擴散，但在5min內電池包不起火不爆炸，可判定滿足要求。
對采用熱穩(wěn)定性較差的高鎳三元鋰離子電池的電池箱來說，其電池單體在針刺短路或加熱條件下一定會起火爆炸，實際上被觸發(fā)單體及相鄰單體熱失控已經(jīng)發(fā)生，因此不可能實現(xiàn)(1)和(2)兩種情況，即不發(fā)生單體熱失控或單體熱失控后不引發(fā)熱擴散?；诟哝嚾囯x子動力電池發(fā)生熱失控、進而引發(fā)熱擴散的情形下，如何通過一系列措施來疏導高溫可燃物并對相關部件進行防護，以實現(xiàn)內部不爆炸、外部不著火，確保動力電池箱在5min內不發(fā)生危險事件，最終避免整車層面的起火燃燒，需要在整個電池箱系統(tǒng)層面構建合理的開發(fā)體系。
3.1基于熱擴散安全的動力電池箱開發(fā)體系
要滿足動力電池箱的熱擴散安全要求，必須從系統(tǒng)的角度來考慮應對措施，先弄清當前電池箱的熱擴散表現(xiàn)，然后從電池單體和模組、預警控制策略、箱蓋箱體結構3個方面著手，同時基于可制造性、經(jīng)濟性和實施進度選擇合適的方案，并進行試驗驗證，最終確定批量方案，建立如圖4所示的基于熱擴散安全的動力電池箱開發(fā)體系。
(1)電池單體和模組。電池單體的泄壓閥設計、電池單體之間的絕緣隔熱、模組蓋板上方的絕緣隔熱等有利于熱擴散安全。由于正極材料對電池單體熱失控表現(xiàn)起決定性作用，采用含鎳比例較低，如NCM523和NCM111等三元電池單體的電池箱熱擴散安全表現(xiàn)會更好，但這會由于模組尺寸及其固定方式等不同引起相關匹配更改，在相同電池箱重量情況下整車層面要損失一定的續(xù)航里程。單體和模組選型以及整車續(xù)航里程目標要在項目前期方案布置時考慮。
(2)預警控制策略。通過優(yōu)化預警控制策略提升熱擴散安全表現(xiàn)，在觸發(fā)模組熱失控開始到電池箱出現(xiàn)著火的時間間隔穩(wěn)定的前提下，越早發(fā)出報警信號，提供給乘員逃生的時間越長，至少要達到5min。預警控制策略可以通過電池電壓下降幅度、電池最高溫度閥值、電池溫度升高速率3個變量結合控制邏輯，盡早準確地判斷熱失控，而不是僅采用國標推薦的電壓下降幅度加溫度升高速率或電池最高溫度閥值加電池溫度升高速率來判斷。
(3)箱蓋箱體結構。采用隔熱材料將電池模組與箱蓋隔離開來，有利于防止高溫物質噴射時將箱蓋燒穿，通過采用熔點更高的箱蓋材料、箱蓋上增加阻燃耐火材料、抬高箱蓋高度以增加與模組間隙等措施，以及在箱體上增加壓力平衡閥引導內部壓力釋放，都可以延長逃生時間。箱蓋箱體結構措施實施進度快、工藝簡單、成本可控，是項目中后期階段優(yōu)先考慮的方法。
3.2基于熱擴散安全的動力電池箱優(yōu)化設計
在電池單體和模組已經(jīng)完成選型、預警控制策略確定的情況下，僅通過箱蓋箱體結構的疏導和防護措施來實現(xiàn)滿足系統(tǒng)的熱擴散安全要求，主要包括幾個方面：
(1)箱蓋金屬材料。鋁合金材料具備輕量化優(yōu)勢，但其熔點不到700°C，而鋼材的熔點可達1300°C以上，因此箱蓋材料由鋁板改為鋼板更有利于防護。基于濕區(qū)防腐蝕要求，鋁合金箱蓋無需表面處理，但鋼板箱蓋需要渡鋅和電泳。鋁合金箱蓋直接接觸箱體以后形成導通，可滿足等電位要求保證高壓安全。而箱蓋材料由鋁改為鋼后，需要在箱蓋內側干區(qū)局部不帶電泳，以實現(xiàn)鋼箱蓋與箱體導通，滿足導通電阻小于10mΩ的要求。
(2)箱蓋阻燃耐火材料。有4種阻燃耐火涂層可供選擇，主要特性如表1所示。通過小樣測試發(fā)現(xiàn)，阻燃涂層A的阻燃性能最好、膨脹倍率最小，缺點是對帶電泳鋼板的粘附性能差，只適應于涂敷在金屬光板上。阻燃涂層C的絕緣性能差，不適合用于電池箱內的防護，易引發(fā)電池單體與箱蓋之間出現(xiàn)電弧導致?lián)舸?，阻燃涂層B的絕緣性能比阻燃涂層D更好，且膨脹倍率更小，更適合用于箱內防護。其后的電池箱系統(tǒng)層面熱擴散試驗結果也驗證了阻燃涂層B在抵抗高溫噴發(fā)物質能力上表現(xiàn)比阻燃涂層D更優(yōu)。
(3)箱蓋箱體空間布置。在不影響與車身等周邊零部件間隙要求和配合精度的前提下，增大箱蓋與模組的間距，有利于高溫可燃物質有更多空間疏導。還可以在箱體上增加壓力平衡閥，亦有利于緩解壓力和引導壓力釋放。根據(jù)內部高壓氣流壓力分布，在結構和空間允許情況下，盡量將壓力平衡閥布置在內部壓力較高的部位，形成有效的防爆排泄路徑，延緩電池箱著火時間點。
(4)絕緣措施。模組與金屬箱蓋之間一旦產生電弧會導致箱蓋擊穿，因此兩者之間的良好絕緣是熱擴散安全的必要措施?？刹捎迷谀＝M上方布置金云母板的方法，一方面保證模組與箱蓋直接的良好絕緣，同時也隔離了模組和箱蓋，尤其是保護電池單體泄壓閥噴射出的高溫物質對箱蓋的直接沖擊。另外根據(jù)需要，高壓銅排上方也可以布置金云母板以防出現(xiàn)電弧。
綜合考慮以上4個方面，鋁材和鋼材箱蓋配合不同阻燃涂層、箱蓋抬高2mm、在模組上安裝不同厚度云母板、增加1個壓力平衡閥，組合形成4個方案進行對比分析，如表2所示。方案①是1.2mm鋁板上涂敷阻燃性能最好且膨脹率最小的阻燃涂層A；方案②是僅電泳鋼板；方案③是電泳鋼板上涂敷阻燃涂層D；方案④是電泳鋼板上涂敷膨脹率更低的新型阻燃涂層B。
3.3動力電池箱優(yōu)化方案的試驗驗證
(1)熱擴散試驗。采用加熱觸發(fā)熱失控方法，采用與前文所述模組級別熱擴散試驗相同的加熱裝置和觸發(fā)位置，建立整個動力電池箱系統(tǒng)層面的熱擴散試驗。先用未電泳的1.2mm厚鋼板箱蓋進行試驗，未通過原因并非是鋼板箱蓋抵抗高、壓高溫的能力問題，而是由于電池模組與金屬箱蓋之間發(fā)生電弧導致箱蓋被擊穿。后續(xù)4種方案的熱擴散試驗結果如表3所示：方案①即使增加了一個壓力平衡閥疏導，鋁板和阻燃涂層仍然不能抵抗高溫可燃物沖擊，熱失控20s燒穿著火；方案②可以抵抗高溫可燃物沖擊5min以上，但在無阻燃涂層隔熱情況下外部電泳碳化，第4min電泳涂層著火；方案③通過阻燃涂層的保護，可以延緩電泳碳化，使其在5min以內不著火；方案④阻燃涂層對延緩電泳碳化更優(yōu)，防護時間達到10min以上，大幅超出國標要求的5min。基于更好魯棒性和更長逃生時間，選擇優(yōu)選方案④作為批量方案。
(2)序列試驗。為保證動力電池箱在全生命周期內都具備安全可靠的使用性能，還需進行序列試驗驗證（見圖5)，即同一個動力電池箱經(jīng)歷溫度存放、溫度沖擊、機械沖擊、機械振動、鹽霧試驗、濕熱循環(huán)、短時浸水、溫差浸水等一系列連續(xù)試驗，每項試驗科目之后的參數(shù)檢查（包括電子電氣和氣密等）必須合格，全部科目試驗完成后的參數(shù)測試和拆解檢查必須合格。該序列試驗等效于整車強化道路耐久試驗，相當于用戶行駛10萬公里。優(yōu)化方案④不僅通過了熱擴散試驗，也經(jīng)過序列試驗驗證成功，表明該方案安全可靠，可以從功能安全可靠的角度滿足批量方案要求。
對電泳鋼板箱蓋上涂覆阻燃涂層的方案④，也同步進行了工業(yè)化可制造性評估。其關鍵工藝順序為鋼板沖壓成型、陰極電泳、切邊防護涂敷、阻燃涂層涂覆、發(fā)泡膠涂覆、膠在型線監(jiān)測和氣密性在線監(jiān)測，全部為自動化生產，生產效率高且零件產品質量一致性高，適合作為工業(yè)化批量生產方案。
4結語
在新國標強制要求車用動力電池必須滿足熱擴散安全的背景下，本文分析了高鎳鋰離子電池的熱擴散表現(xiàn)，以系統(tǒng)的角度建立了動力電池箱熱擴散安全開發(fā)體系，明確了從電池單體和模組、預警控制策略和箱蓋箱體結構3個方面綜合考慮進行設計優(yōu)化的開發(fā)準則。在電池單體和模組選型和預警策略已經(jīng)確定的情況下，可以通過更改箱蓋材料、增大箱蓋和模組間距、箱蓋涂敷具有阻燃絕緣性能的阻燃涂層、箱蓋模組之間布置云母板等措施滿足熱擴散安全要求，該措施經(jīng)序列試驗驗證可以作為批最技術方案。
文章來源：上汽大眾汽車有限公司
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