1  新能源車電安全引人擔(dān)憂

近年來(lái)伴隨新能源車市場(chǎng)的火爆，社會(huì)上已發(fā)生多起新能源車起火事故，電池安全漸漸成為了新能源電動(dòng)汽車最重要的議題之一，也是各方關(guān)注的焦點(diǎn)。新能源汽車國(guó)家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟在2019年08月發(fā)布的《新能源汽車國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報(bào)告》顯示：2019年5月起3個(gè)月之內(nèi)共發(fā)現(xiàn)79起安全事故，涉及96臺(tái)車，情況很嚴(yán)重。已查明著火原因主要是電池自燃、車輛碰撞、車輛浸水、車輛不合理使用問(wèn)題，它們導(dǎo)致了鋰離子熱失控。事故車輛中磷酸鐵鋰電池占比7%左右、三元鋰離電池占比86%左右，剩余車輛電池不明。


圖1 電動(dòng)汽車起火相關(guān)案例

基于此，針對(duì)電動(dòng)汽車的法規(guī)升級(jí)越加頻繁，要求也越來(lái)越高。國(guó)標(biāo)GB30381-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》加入了電池?zé)崾Э仡A(yù)警要求，要求車輛在熱失控導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)前5min發(fā)出提示信息提示人員安全撤離，對(duì)熱失控的檢測(cè)以及蔓延抑制提出了緊迫而具體的要求。C-NCAP在2021年也引入了柱碰測(cè)試法規(guī)，國(guó)外機(jī)構(gòu)Tesla、三洋、三星等在2014年前就電池?zé)崾Э仡I(lǐng)域開(kāi)展了大量研究，Tesla已申請(qǐng)60多份相關(guān)專利；國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)如CATL、清華大學(xué)近幾年均成立專門的技術(shù)團(tuán)隊(duì)研究電池安全特性；以清華大學(xué)為例，其熱失控方面部分研究成果已用于寶馬、戴姆勒、三星、長(zhǎng)安、CATL等合作項(xiàng)目。


圖2 電動(dòng)汽車中涉及電池安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

由于法規(guī)的升級(jí)和樹立汽車品牌形象需要，目前國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的主機(jī)廠生產(chǎn)的新能源電動(dòng)車也開(kāi)始考慮了絕緣安全防護(hù)，如基本絕緣、外殼防護(hù)、漏電監(jiān)測(cè)、手動(dòng)斷開(kāi)等安全防護(hù)措施；除此之外，在新能源汽車安全開(kāi)發(fā)過(guò)程中，GB 以及NCAP 工況只是基本的考核要求，為實(shí)現(xiàn)真正的新能源汽車的安全性，減小消費(fèi)者對(duì)新能源車不安全的誤區(qū)，我們需考慮更多的實(shí)際交通道路事故中所出現(xiàn)的碰撞工況，在所有測(cè)試工況下避免高壓電防護(hù)失效導(dǎo)致的高壓傷害。


圖3 新能源車型電安全開(kāi)發(fā)考核工況

2  動(dòng)力電池簡(jiǎn)介

從系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，電池分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池三大類。對(duì)于我們比較熟悉的化學(xué)電池，則是按正負(fù)極材料進(jìn)行分類，有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等車輛比較常用的動(dòng)力電池。鉛酸電池技術(shù)成熟、價(jià)格便宜，但其污染嚴(yán)重，比能量低，一般應(yīng)用于大型不間斷供電電源以及電動(dòng)自行車；鎳氫電池安全性高、耐過(guò)充過(guò)放性能好，但其比能量低、低溫性能差、自放電率高，一般應(yīng)用于混合電動(dòng)汽車以及電動(dòng)工具；鋰離子電池相比以上２種電池具有比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充電功率范圍寬、倍率放電性能好、污染小等優(yōu)良特性，現(xiàn)今被電動(dòng)汽車廣泛采用，也是現(xiàn)今國(guó)網(wǎng)力推的一種電動(dòng)汽車充電電池類型。


圖4 電池分類

市場(chǎng)上常見(jiàn)的鋰離子電池基本分為4類，其中磷酸鐵鋰電池的熱穩(wěn)定性最好，錳酸鋰電池次優(yōu)，三元鋰LiNiCoMnO2電池略差，而鈷酸鋰電池最差。磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命長(zhǎng)、毒副作用小、成本低廉、充放電倍率大、高溫穩(wěn)定性好，但一致性不好，能量密度低。錳酸鋰電池成本低，毒害性較低，但熱穩(wěn)定性差，循環(huán)壽命短，應(yīng)用較少。三元鋰（LiMn2O4）電池能量密度高，但大功率充放電后溫度升高，高溫時(shí)釋放氧氣，熱穩(wěn)定性較差，壽命較短。鈷酸鋰電池?zé)岱€(wěn)定性最差，它的正極在高溫時(shí)容易分解，加速熱失控，但能量密度高，續(xù)航更出色，特斯拉汽車采用了這種電池。


圖5 主流鋰離子電池性能比較

這些種類的鋰離子電池最大的區(qū)別就是正極材料的不同, 實(shí)際上正極材料是影響鋰離子電池性能和成本的關(guān)鍵因素，目前國(guó)內(nèi)新能源汽車動(dòng)力電池應(yīng)用最多的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。


圖6 磷酸鐵鋰刀片電池


圖7 三元鋰硬殼電池


圖8 一般動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)形式

3  電池存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

各種電池起火的共性原因是電池?zé)崾Э?，隱患總體可以分為三大類，一類是環(huán)境高溫，引起電池正負(fù)極的劇烈反應(yīng)，反應(yīng)會(huì)向可燃的電解液中釋放大量的能量，并析出氧氣，導(dǎo)致電池膨脹、過(guò)熱甚至失火；一類則是外部的物理性破壞，導(dǎo)致電池隔膜貫穿，正負(fù)極直接接觸使得電池內(nèi)短路，短時(shí)間內(nèi)釋放大量電能（可轉(zhuǎn)換成熱能），導(dǎo)致電池?zé)崾Э?；最后一類則是電池過(guò)充、過(guò)放導(dǎo)致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，從而引發(fā)電池的熱失控。

熱失控(Thermal runaway)是指由于鋰離子液態(tài)電池在外部高溫、內(nèi)部短路，電池包進(jìn)水或者電池在大電流充放電各種外部和內(nèi)部誘因的作用下，導(dǎo)致電池內(nèi)部的正、負(fù)極自身發(fā)熱，或者直接短路，觸發(fā)“熱引發(fā)”，熱量無(wú)法擴(kuò)散，溫度逐步上升，電池中負(fù)極表面的SEI(Solid Electrolyte Interface)膜、電解液、正負(fù)極等在高溫下發(fā)生一系列熱失控反應(yīng)(熱分解) 。直到某一溫度點(diǎn)，溫度和內(nèi)部壓力急劇增加，電池的能量在瞬間轉(zhuǎn)換成熱能，形成單個(gè)電池燃燒或爆炸。引起單個(gè)電池?zé)崾Э氐囊蛩睾芏?、很?fù)雜，但電流過(guò)大或溫度過(guò)高導(dǎo)致的熱失控占多數(shù)，下面重點(diǎn)介紹這種熱失控的機(jī)理。

以鋰離子電池為例，溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，負(fù)極表面SEI膜開(kāi)始分解。溫度再次升高后，正負(fù)極之間的隔膜（PP或PE）遇高溫收縮分解，正、負(fù)極直接接觸，短路引起大量的熱量和火花，導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高。熱失控時(shí)，230 ℃～250 ℃的高溫導(dǎo)致電解液幾乎完全蒸發(fā)、分解了。它含有大量易燃、易爆的有機(jī)溶劑，逐步受到熱失控的影響，最終分解發(fā)生燃燒，是熱失控的重要原因。電解液在燃燒同時(shí)，產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體，也是重大的安全隱患。電解液如果泄漏，在外部空氣中形成比重較大的蒸汽，容易在較低位置大范圍擴(kuò)散，這種擴(kuò)散范圍極易遇火源引起安全事故。清華大學(xué)的研究顯示：正極中含鎳越多則熱穩(wěn)定性越差，碳素材料的負(fù)極在壽命的前期較穩(wěn)定，但是壽命衰減后變差。這從側(cè)面說(shuō)明三元鋰電池的高鎳比例，雖然容量更大，但會(huì)導(dǎo)致更大的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。


圖9 熱失控隨溫度的變化過(guò)程

4  電池存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

應(yīng)對(duì)電池可能存在的電池安全風(fēng)險(xiǎn)，可以從四個(gè)層級(jí)、七個(gè)維度來(lái)考慮電池的安全，四個(gè)層級(jí)指電芯、模組、電池包、整車，七個(gè)維度包括可靠連接、高壓防護(hù)、機(jī)械擠壓、過(guò)充、布置形式、短路和熱失控，在每個(gè)維度跟層級(jí)都有對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施，全方位有效的保護(hù)電池安全。

新能源汽車發(fā)生冒煙起火的場(chǎng)景一般為車輛靜置時(shí)充放電和車輛行駛中發(fā)生碰撞，下面我們基于鋰離子動(dòng)力電池在機(jī)械擠壓這個(gè)維度來(lái)講解下目前開(kāi)展的一般研究方法，探究整車碰撞中電池包的受力形態(tài)與損傷（失效、起火、爆炸）機(jī)理。

本研究從卷芯到單體到模組再到電池包共4個(gè)層級(jí)，每個(gè)層級(jí)的研究又分為試驗(yàn)和仿真兩個(gè)方面，通過(guò)不同加載方向、不同加載速度的試驗(yàn)來(lái)研究卷芯、單體和模組的各向異性和應(yīng)變率效應(yīng)，以及加載方向和加載速度的不同給動(dòng)力電池變形行為和失效行為帶來(lái)的影響，全面認(rèn)識(shí)動(dòng)力電池在不同載荷工況下的響應(yīng)規(guī)律和內(nèi)在失效機(jī)理；借助對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)知，開(kāi)發(fā)能夠表征其應(yīng)變率效應(yīng)、各向異性和失效行為的卷芯模型，并以卷芯模型為基礎(chǔ)，逐級(jí)向上開(kāi)發(fā)兼顧仿真精度和計(jì)算效率的電池單體模型和模組模型，以試驗(yàn)結(jié)果為參考對(duì)各仿真模型的仿真精度進(jìn)行驗(yàn)證，為電動(dòng)汽車電池包碰撞安全保護(hù)的開(kāi)發(fā)提供虛擬仿真工具。


圖10 研究總體框架

1）卷芯層級(jí)研究

卷芯是組成單體進(jìn)而構(gòu)成模組的基礎(chǔ)，也是電池包里面最基本的電化學(xué)單元，了解卷芯的力學(xué)性能，及其力學(xué)失效和電化學(xué)失效之間的聯(lián)系，有助于深入認(rèn)識(shí)電池包在碰撞擠壓載荷下的響應(yīng)規(guī)律和失效機(jī)理。鋰離子電池的正極材料通常以鋁質(zhì)集流體為基底，涂布鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）和磷酸鐵鋰（LiFePO4）等鋰離子活性物質(zhì)。負(fù)極材料通常以銅質(zhì)集流體為基底，涂布石墨或硅層。而隔膜則常為由聚乙烯或聚丙烯等材料制成的多孔薄膜。通過(guò)對(duì)卷芯中的正極復(fù)合體、鋁箔、隔膜、負(fù)極復(fù)合體、銅箔等進(jìn)行拉伸、壓縮、穿孔試驗(yàn)，得到相應(yīng)材料的材料卡片，為卷芯的精細(xì)化建模搭好基礎(chǔ)。


圖11 卷芯組分研究流程圖 研究總體框架

2）單體層級(jí)研究

電池單體是向下集成卷芯、向上構(gòu)成模組的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)單體都是一個(gè)可以獨(dú)立工作的電化學(xué)集合體。目前車用鋰離子動(dòng)力電池單體，通常采用卷繞或疊片式卷芯（交替布置的正負(fù)電極和電極間的隔膜）和液態(tài)電解質(zhì)，用金屬外殼封裝成圓柱形（a）或方形硬殼電池（b），或用鍍金屬塑料膜封裝為軟包電池（c）單體層級(jí)研究。


圖12 (a) 圓柱形硬殼電池單體 (b) 方形硬殼電池單體

(c) 軟包電池單體

為了全面了解電池單體在碰撞擠壓載荷下的響應(yīng)規(guī)律和失效機(jī)理，研究同樣對(duì)單體進(jìn)行了不同加載方向和不同加載速度的擠壓試驗(yàn)。


圖13 （a）Z向圓柱擠壓 (b) Y向圓柱擠壓 (c) X向圓柱擠壓

(d) Z向球頭擠壓 (e) Z向錐面擠壓

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以得到對(duì)應(yīng)的力-位移-電壓曲線，結(jié)合對(duì)樣件電鏡掃描結(jié)果，來(lái)研究響應(yīng)規(guī)律和失效機(jī)理，和建立了單體的有限元模型。


圖14 某工況下單體力-位移-電壓曲線

對(duì)于電池單體，我們通過(guò)多種方向和多種不同的加載速度的組合試驗(yàn)對(duì)其力電響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)，單體也有著明顯的各向異性和應(yīng)變率效應(yīng)。其次，單體的短路行為也具有明顯的各向異性，相比于Y向和X向，Z向是單體最容易發(fā)生短路失效的擠壓方向。借助對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)知，開(kāi)發(fā)能夠表征其應(yīng)變率效應(yīng)、各向異性和失效行為且兼顧仿真精度和計(jì)算效率的單體模型。


圖15 單體有限元模型

3）模組層級(jí)研究

模組是將一個(gè)以上電池單體按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組合，并作為電源使用的組合體。其研究方法與單體基本一致，但由于其結(jié)構(gòu)比單體更加復(fù)雜多元，研究中需要考慮多種失效形式，包括單體之間的粘膠，殼體撕裂，端板斷裂的現(xiàn)象。


圖16 模組測(cè)試系統(tǒng)


圖17 模組試驗(yàn)形式及樣件變形情況

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，相比單體內(nèi)短路（卷芯斷裂）壓降失效而言，模組試驗(yàn)中更多的是由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或外部侵入而發(fā)生的外短路；由于藍(lán)膜、膠層和鋁合金在沖擊下韌性明顯下降，更易發(fā)生失效破壞，而這些失效形式是導(dǎo)致模組發(fā)生外短路的關(guān)鍵因素，進(jìn)而使得模組壓降對(duì)應(yīng)的力和位移的響應(yīng)在準(zhǔn)靜態(tài)和存在較大差異。


圖18 某工況下單體力-位移-電壓曲線

通過(guò)模組多工況試驗(yàn)標(biāo)定，建立模組有限元模型。


圖19 模組有限元模型

4）電池包層級(jí)研究

通過(guò)對(duì)鋰離子從卷芯到單體到模組的研究，對(duì)電池本身具備充分的了解，包括電池在沖擊下的變形和失效規(guī)律，內(nèi)部損傷發(fā)生的歷程和機(jī)理，在發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷前所能承受的載荷、變形、能量等的最大限度，以及損傷發(fā)生過(guò)程中機(jī)電熱的相互耦合和作用關(guān)系等?；诜抡婺Ｐ?，便可以開(kāi)展多工況下電池包層級(jí)的研究與對(duì)標(biāo)工作。


圖20 電池包系統(tǒng)多工況研究

在新能源汽車安全開(kāi)發(fā)過(guò)程中，電池包作為更加復(fù)雜的系統(tǒng)，不同的試驗(yàn)工況下，會(huì)有多種不同的失效形式，其產(chǎn)生的原因和所造成的危害也不盡相同。
圖片
圖21 常見(jiàn)的動(dòng)力電池失效形式

5  結(jié)語(yǔ)

鋰離子電池憑借其能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充電效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車的儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，鋰離子電池在能量密度迅速增長(zhǎng)的同時(shí)，對(duì)于整車的安全性設(shè)計(jì)又提出了新的挑戰(zhàn)。特別是在經(jīng)受復(fù)雜且嚴(yán)峻的碰撞工況時(shí)，為最大程度地發(fā)揮電池系統(tǒng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，最大限度地在碰撞防護(hù)和輕量化設(shè)計(jì)之間尋求平衡，必須首先深入研究鋰離子電池的機(jī)械性質(zhì)和碰撞安全性，不但能夠?qū)π履茉窜囕v設(shè)計(jì)和制造提出指導(dǎo)性的建議，也有利于新能源車輛的后期維護(hù)和事故處理等工作的進(jìn)行。



為解決電池單體在機(jī)械加載下的力學(xué)響應(yīng)與損傷行為預(yù)測(cè)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)電池包力學(xué)響應(yīng)和失效行為的工具，最終服務(wù)于電動(dòng)汽車碰撞安全設(shè)計(jì)，第一階段針對(duì)典型的車用動(dòng)力電池開(kāi)展了從卷芯到單體再到模組共三個(gè)層次，逐步深入的研究。每個(gè)層次的研究又分為試驗(yàn)和仿真兩個(gè)方面，通過(guò)不同加載方向、不同加載速度的試驗(yàn)來(lái)研究卷芯、單體和模組的各向異性和應(yīng)變率效應(yīng)，以及加載方向和加載速度的不同給動(dòng)力電池變形行為和失效行為帶來(lái)的影響，全面認(rèn)識(shí)動(dòng)力電池在不同載荷工況下的響應(yīng)規(guī)律和內(nèi)在失效機(jī)理；借助對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)知，開(kāi)發(fā)能夠表征其應(yīng)變率效應(yīng)、各向異性和失效行為的卷芯模型，并以卷芯模型為基礎(chǔ)，逐級(jí)向上開(kāi)發(fā)兼顧仿真精度和計(jì)算效率的電池單體模型和模組模型，以試驗(yàn)結(jié)果為參考對(duì)各仿真模型的仿真精度進(jìn)行驗(yàn)證，為電動(dòng)汽車電池包碰撞安全保護(hù)的開(kāi)發(fā)提供虛擬仿真工具。


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