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中汽研 | 動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞損傷研究

2021-11-23 18:45:09·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：卜祥軍等  
　
文章來(lái)源：1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司引言動(dòng)力電池作為新能源汽車的關(guān)鍵部件，有著高能量密度、可自燃、可爆炸等危
文章來(lái)源：1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司
引言
動(dòng)力電池作為新能源汽車的關(guān)鍵部件，有著高能量密度、可自燃、可爆炸等危險(xiǎn)特點(diǎn)。新能源電動(dòng)汽車遭受高速碰撞時(shí)，電池系統(tǒng)遭受強(qiáng)力沖撞，汽車車身變形導(dǎo)致電池包擠壓變形，電池組塊相互擠壓、疊落，損傷破裂，擠出電解液等，會(huì)引起短路、著火，甚至爆炸，全車燒毀。碰撞時(shí)，在電池包的三元梩電池內(nèi)部隔膜會(huì)受到嚴(yán)重破壞，線路極易出現(xiàn)短路、著火，并發(fā)生爆炸。動(dòng)力電池發(fā)生碰撞后存在極大的安全隱患，發(fā)生過(guò)多起電動(dòng)汽車碰撞后起火燃燒，危及駕乘人員安全的事故，這也成為整車廠家和大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。
在現(xiàn)有的動(dòng)力電池測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系中，模擬動(dòng)力電池碰撞實(shí)際場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)室級(jí)安全測(cè)評(píng)項(xiàng)目包括模擬碰撞測(cè)試、機(jī)械沖擊測(cè)試和擠壓測(cè)試三項(xiàng)，模擬碰撞測(cè)試和機(jī)械沖擊測(cè)試分別是以?shī)A具承載動(dòng)力電池系統(tǒng)的方式開(kāi)展水平或垂直方向沖擊測(cè)試，屬于非接觸式動(dòng)態(tài)碰撞；目前針對(duì)機(jī)械損傷評(píng)價(jià)研究多為利用低速靜態(tài)擠壓造成的機(jī)械損傷測(cè)試，屬于接觸式靜態(tài)碰撞。在該種研究下分析了不同損傷形變對(duì)動(dòng)力電池安全性造成的影響?，F(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)較多的動(dòng)態(tài)接觸碰撞場(chǎng)景，目前國(guó)內(nèi)外在相應(yīng)領(lǐng)域的研究中還有較大空白。因此動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞的測(cè)試研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞的測(cè)試研究，找出關(guān)鍵的碰撞參數(shù)，探究有效的測(cè)試方案，搭建可行的測(cè)試臺(tái)架，提供動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞測(cè)試的解決方案。通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞進(jìn)行研究，可以根據(jù)不同程度的碰撞損傷研究顯示條件下動(dòng)力電池在不同損傷程度下的安全邊界。
本研究在測(cè)試樣品的選擇上，主要圍繞動(dòng)力電池最基本組成單元的單體進(jìn)行研究，從最基本的層面探討動(dòng)態(tài)接觸碰撞對(duì)動(dòng)力電池安全性的影響。
1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)際事故情況中動(dòng)力電池會(huì)受到不同程度的碰撞，造成不同程度的形變損傷，在此以形變深度作為控制變量進(jìn)行不同程度損傷的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試對(duì)動(dòng)力電池單體進(jìn)行分析研究。據(jù)此設(shè)計(jì)如下的實(shí)驗(yàn)裝置。
動(dòng)態(tài)接觸碰撞裝置采用重力加速方式完成碰撞頭的加速過(guò)程，通過(guò)相應(yīng)限位裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞形變的可控調(diào)節(jié)，從而對(duì)處于固定狀態(tài)的動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)接觸碰撞。該動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試裝置主要由裝置本體、碰撞小車和固定裝置組成，可以對(duì)現(xiàn)實(shí)中動(dòng)態(tài)碰撞進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，如圖1。

電池安裝位置有剛性限位裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)尺寸實(shí)現(xiàn)碰撞位置的控制和調(diào)節(jié)，可以進(jìn)行不同碰撞形變的測(cè)試。碰撞固定裝置有可調(diào)節(jié)平板，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池碰撞位置的調(diào)節(jié)，如圖2所示。

鑒于實(shí)際碰撞中可能形成的沖擊并考慮到外部殼體的防護(hù)作用門］，碰撞頭以半球圓柱的形式安裝在小車前端，進(jìn)行碰撞對(duì)應(yīng)，該裝置可以根據(jù)不同需求進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)后裝置自帶的牽引伺服電動(dòng)機(jī)會(huì)將碰撞小車?yán)氐较鄳?yīng)的出發(fā)位置，并使用電磁脫鉤器進(jìn)行試驗(yàn)啟動(dòng)。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
將準(zhǔn)備好的測(cè)試對(duì)象固定在臺(tái)面上，通過(guò)調(diào)節(jié)高度控制裝置，使測(cè)試對(duì)象中心與碰撞頭中心位于同一水平面；采用伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)碰撞小車，通過(guò)位移傳感器控制設(shè)置值，到達(dá)位移值時(shí)通過(guò)限位開(kāi)關(guān)停止。脫扣器采用電磁閥控制，通過(guò)電磁閥拉動(dòng)脫扣器，保證小車固定，后面實(shí)施脫扣。
調(diào)節(jié)安裝碰撞位置限定裝置，將碰撞限位調(diào)節(jié)至對(duì)應(yīng)的形變深度，系統(tǒng)通過(guò)電磁閥打開(kāi)脫鉤器，碰撞小車沿軌道下滑，到達(dá)碰撞位置，碰撞頭與測(cè)試樣品接觸，完成碰撞。同時(shí)針對(duì)電池溫度與電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到動(dòng)態(tài)接觸碰撞中全過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。
2數(shù)據(jù)與分析
2.1樣品參數(shù)
從形式上看，當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流裝機(jī)占比居多的為方形電池，從體系看，三元與磷酸鐵捚電池一直是動(dòng)力電池材料體系的主流，而相對(duì)磷酸鐵梩電池，三元體系電池能量密度更高而更受青昧，同時(shí)其安全性也更受到各方面的關(guān)注。因此本研究選取某款三元捚離子方形電池作為研究對(duì)象，從而使結(jié)果更具代表性與實(shí)際意義。本研究選擇的樣品參數(shù)見(jiàn)表1。

針對(duì)方形電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在電池內(nèi)部排列方式，分別選擇在動(dòng)力電池正極與負(fù)極的位置作為動(dòng)態(tài)接觸碰撞點(diǎn)，從5％損傷深度開(kāi)始，以5％損傷深度增加，直至電池發(fā)生起火爆炸。在實(shí)際測(cè)試中，負(fù)極進(jìn)行了損傷深度為5%、10%、15%、20%的碰撞測(cè)試，正極進(jìn)行了5%、10%、15%、20%、25%、30%、35％的碰撞測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3,將試驗(yàn)結(jié)果匯總，見(jiàn)表2。


在試驗(yàn)過(guò)程中負(fù)極沖擊進(jìn)行到15％損傷形變，即15mm時(shí)發(fā)生起火爆炸，正極進(jìn)行到30％形變損傷，即30mm時(shí)發(fā)生起火爆炸。同時(shí)為進(jìn)一步研究分析，分別在起火爆炸后提高5％的損傷深度各進(jìn)行了一次測(cè)試。
2.2數(shù)據(jù)分析
2.2.1負(fù)極動(dòng)態(tài)碰撞溫升分析
測(cè)試過(guò)程中監(jiān)控了正極、負(fù)極、泄壓閥、電池中心、電池底面五個(gè)位置的溫度情況。針對(duì)負(fù)極位置的動(dòng)態(tài)接觸碰撞溫升，測(cè)試各點(diǎn)溫升及溫度情況，如圖4所示。

結(jié)合圖4a與h,在未起火爆炸情況下的電池碰撞時(shí)刻，電池各監(jiān)控位置均有不同程度溫升。從圖4a中可見(jiàn)，在損傷深度5％的條件下電池負(fù)極極耳附近出現(xiàn)了6~7K的溫升，其他部分有2~3K的溫升。從圖4h中可見(jiàn)，在損傷深度為10％條件下，負(fù)極極耳處的溫升較為明顯，達(dá)到36.5K,同時(shí)位于正負(fù)極之間的泄壓閥位置也有19.SK的溫升。電池其他部分有2~3K的溫升，但并沒(méi)有負(fù)極極耳與泄壓閥處顯著。
圖4c反映了15％損傷深度時(shí)電池發(fā)生起火爆炸的各點(diǎn)溫度情況。碰撞起火后泄壓閥處溫度在碰撞后迅速升至597.1°C，同時(shí)負(fù)極極耳溫度也迅速升至462.1飛電池其他各監(jiān)控點(diǎn)溫度也迅速上升至100°C以上。圖4d中反映了20％損傷深度時(shí)電池發(fā)生起火爆炸各點(diǎn)的溫度情況。負(fù)極極耳溫度經(jīng)歷兩個(gè)峰值，第一個(gè)是623.5°C,第二個(gè)是1064.6°C。泄壓閥溫度達(dá)到了941.2°C。其他各監(jiān)控溫度點(diǎn)溫度也均達(dá)到300°C以上。通過(guò)分析數(shù)據(jù)可知，20％損傷深度情況下的各點(diǎn)溫度要遠(yuǎn)高于15％損傷深度情況，其中負(fù)極極耳溫度極值更是相差超過(guò)600K,這與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中20%損傷深度爆炸更加劇烈的情況相吻合。
2.2.2正極動(dòng)態(tài)碰撞溫升分析
正極位置的動(dòng)態(tài)接觸碰撞測(cè)試各點(diǎn)溫升及溫度監(jiān)控情況如圖5所示。
結(jié)合圖5a~e,在未起火爆炸的情況下電池碰撞后，電池各溫度監(jiān)控點(diǎn)均出現(xiàn)了不同程度的溫升，以碰撞位置處正極極耳附近的溫升最為明顯。從5%~25％形變，正極極耳附近的最高溫升分別是2.lK、4.lK、4.8K、10.2K和14.6K。溫度逐漸上升，同時(shí)泄壓閥附近溫度電池碰撞時(shí)刻，電池各監(jiān)控位置均有不同程度溫升。從圖5a中可見(jiàn)，在損傷深度5％的條件下電池正極極耳處僅有2~3K的溫升。隨著碰撞損傷形變的加深，電池各點(diǎn)溫升也成正相關(guān)升高，但溫升程度遠(yuǎn)小于負(fù)極處受到碰撞產(chǎn)生的溫升。在碰撞形變達(dá)到25％時(shí)，正極極耳附近最高溫度也只有不到15K,如圖5e所示。與負(fù)極極耳受到?jīng)_擊類似的是泄壓閥的溫升也有一定幅度的上升，而其他監(jiān)控點(diǎn)溫升幾乎均沒(méi)有超過(guò)3K。在相同程度損傷形變的條件下，正極極耳附近受到?jīng)_擊造成的電池溫升小于負(fù)極極耳受到?jīng)_擊的情況。
圖5f反映了30％損傷深度時(shí)電池發(fā)生起火爆炸的各點(diǎn)溫度情況，可以看出正極極耳在沖擊之后溫度上升到458.4°C,泄壓閥溫度也上升至503.8°C,其他各監(jiān)控點(diǎn)溫度也升至400K以上。圖5g反映了35％損傷深度時(shí)電池發(fā)生起火爆炸時(shí)各點(diǎn)的溫度情況，電池正極極耳溫度升高到607.2°C,泄壓閥溫度達(dá)到1095.1°C,負(fù)極極耳也達(dá)到924.7°C。各溫度點(diǎn)溫度均高于25％損傷深度時(shí)的溫度值，同時(shí)其起火爆炸的猛烈程度也更甚于25％損傷深度時(shí)的狀況。

綜合正負(fù)極動(dòng)態(tài)接觸碰撞的溫升數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，相比靜態(tài)擠壓損傷，動(dòng)態(tài)接觸碰撞對(duì)電池造成的破壞性更大。國(guó)標(biāo)中擠壓的形變要求是30％形變量下不爆炸、不起火，而在動(dòng)態(tài)接觸碰撞中電池在30％形變量的深度損傷中發(fā)生了爆炸。因此動(dòng)態(tài)碰撞帶來(lái)的沖擊要甚于靜態(tài)擠壓損傷的危害。
同時(shí)在相同的損傷深度下，正極附近受到的沖擊所引起的電池整體的溫升要小于對(duì)負(fù)極沖擊造成的溫升，負(fù)極在10％的損傷深度下，溫升就已經(jīng)超過(guò)465103K,這表明負(fù)極附近受到動(dòng)態(tài)沖擊更容易引起電池動(dòng)態(tài)沖擊，造成的危害隱患要大于正極。同時(shí)可以看出，隨著損傷深度加大，電池?zé)崾Э氐姆磻?yīng)程度也更加劇烈，其溫度甚至可以達(dá)到1000°C以上。而較低損傷深度引起的爆炸，其最高溫度可能只有500~600°C。從模組甚至電池系統(tǒng)的視角看，不同程度的熱失控可能會(huì)造成不同程度的熱蔓延，因此動(dòng)態(tài)接觸碰撞也可以作為觸發(fā)動(dòng)力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散的一種方法。這種方法也合乎實(shí)際發(fā)生碰撞事故中的場(chǎng)景。而電池溫升與損傷深度成正相關(guān)，因此可以進(jìn)一步考慮其作為動(dòng)態(tài)接觸碰撞的預(yù)警監(jiān)控價(jià)值。
2.3數(shù)據(jù)分析
電壓分析
監(jiān)控不同損傷形變下電池的電壓變化，得到負(fù)極動(dòng)態(tài)接觸碰撞電壓仙線簇與正極動(dòng)態(tài)接觸碰撞電壓曲線簇，如圖6所示。

綜合圖6a與h可以得到，當(dāng)電池未發(fā)生起火爆炸時(shí)，電池電壓幾乎不會(huì)發(fā)生下降。而當(dāng)碰撞損傷使電池起火爆炸時(shí)，電池會(huì)有迅速的電壓下降。在起火爆炸的情況下，相比正極受到動(dòng)態(tài)沖擊后電壓的迅速下降，負(fù)極受到動(dòng)態(tài)沖擊后電壓下降速率稍緩慢。由此可見(jiàn)，單純將電壓作為監(jiān)控電池是否受到動(dòng)態(tài)碰撞是不合適的，存在電池受到?jīng)_擊后已經(jīng)產(chǎn)生了形變但電池電壓依然保持平穩(wěn)的可能性。因此相比于對(duì)電池溫度的監(jiān)控，如果單純將電池電壓作為監(jiān)控電池安全水平的信號(hào)是存在較大隱患的。
3結(jié)論
本文通過(guò)搭建動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞平臺(tái)，設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞的測(cè)試方法，同時(shí)選擇一款受眾體系廣泛的三元方殼電池單體作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池受到動(dòng)態(tài)接觸碰撞后溫度與電壓變化進(jìn)行分析，探討了動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞后的損傷及安全性。研究表明，首先，相比國(guó)標(biāo)中傳統(tǒng)靜態(tài)擠壓方式對(duì)動(dòng)力電池提出的30％形變量不起火爆炸的要求，動(dòng)態(tài)接觸碰撞對(duì)動(dòng)力電池造成的損傷在15%的損傷形變下就可能引發(fā)電池?zé)崾Э貜亩斐善鸹鸨?，因此貼近實(shí)際碰撞情況的動(dòng)態(tài)接觸碰撞對(duì)動(dòng)力電池造成的危險(xiǎn)隱患更大。其次，在對(duì)碰撞位置的研究中可以看出，相比正極，負(fù)極附近受到的動(dòng)態(tài)碰撞更容易在較小的損傷形變下導(dǎo)致電池?zé)崾Э夭⒁l(fā)起火爆炸。再者，動(dòng)力電池的溫升比電壓更適合作為考察電池受到動(dòng)態(tài)碰撞后存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)的表征參數(shù)與預(yù)警信號(hào)。同時(shí)在較低損傷深度的條件下，電池相應(yīng)受到損傷的部分會(huì)產(chǎn)生與損傷深度正相關(guān)的溫升，但在電池未發(fā)生熱失控的條件下，電池電壓并不會(huì)發(fā)生明顯變化。
與此同時(shí)，動(dòng)態(tài)接觸碰撞也可作為一種引發(fā)動(dòng)力電池單體熱失控以及動(dòng)力電池模組或系統(tǒng)熱擴(kuò)散的全新觸發(fā)方式，該種方式也更貼近于實(shí)際交通碰撞事故中的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，因此能更從實(shí)際角度出發(fā)考察動(dòng)力電池的安全性。
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