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電車試驗：電池系統(tǒng)安全

2022-02-07 22:27:29·  來源：汽車測試網(wǎng)  
　
編輯添加圖片注釋，不超過 140 字（可選）基于市場上出現(xiàn)的電動汽車泡水、碰撞、底盤劃傷后的起火事件，電池系統(tǒng)安全從系統(tǒng)設(shè)計（機械安全、熱安全、電氣安全）

 
基于市場上出現(xiàn)的電動汽車泡水、碰撞、底盤劃傷后的起火事件，電池系統(tǒng)安全從系統(tǒng)設(shè)計（機械安全、熱安全、電氣安全）、安全測試、生產(chǎn)三階段展開，保證電池系統(tǒng)的安全。
一、機械安全
電池系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的機械強度，保證在整車正常使用的生命周期內(nèi)不會因振動、機械沖擊等工況引發(fā)安全風險。
1、基于正碰、側(cè)碰、側(cè)柱碰、底碰、石擊的電池及整車安全設(shè)計
針對于整車碰撞衍生出電池系統(tǒng)碰撞、擠壓工況，需要結(jié)合整車設(shè)計及電池系統(tǒng)安裝位置有針對性的進行結(jié)構(gòu)設(shè)計保證電池系統(tǒng)的機械安全。
電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度應(yīng)至少滿足《GB/T 38031-2020 電動汽車用動力蓄電池安全要求》中電池系統(tǒng)模擬碰撞的標準要求或整車企業(yè)的標準要求。
1.1 電池系統(tǒng)碰撞安全設(shè)計
（1）應(yīng)分析碰撞過程中電池箱體及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（電池模組、高低壓線束）產(chǎn)生的最大變形情況，并結(jié)合電池模組允許的最大變形量來判斷碰撞過程中的安全風險；
（2）應(yīng)具有吸能效果的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計時應(yīng)考慮相應(yīng)材料的塑性要求；
（3）應(yīng)具有合理的內(nèi)部加強筋設(shè)計，提高整體結(jié)構(gòu)強度；
（4）考慮電連接件的可靠性，避免碰撞過程中發(fā)生短路風險；
（5）提高熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度，增加防護設(shè)計，避免碰撞過程中冷卻液泄露風險。
1.2 電池系統(tǒng)擠壓安全設(shè)計
（1）電池系統(tǒng)設(shè)計滿足相應(yīng)的剛度、強度要求：如外圍采用防撞梁結(jié)構(gòu)；
（2）合理的電池系統(tǒng)內(nèi)部安全距離設(shè)計；
（3）合理的熱管理系統(tǒng)布置：建議液冷系統(tǒng)水管布置避開易碰撞側(cè)；
（4）合理的電氣系統(tǒng)布置：電池系統(tǒng)內(nèi)的高低壓線束的走線路徑應(yīng)盡量與電池系統(tǒng)的非變形區(qū)域結(jié)構(gòu)相連接，同時應(yīng)加強絕緣防護及線束固定。
1.3 電池系統(tǒng)防石擊安全設(shè)計
（1）合理的底部裝甲或防護板設(shè)計；
（2）箱體接插件端防護較薄弱，且易受沙石沖擊，建議增加防護板遮擋。
2、振動可靠性安全設(shè)計
振動是對結(jié)構(gòu)件耐久性的考驗，區(qū)別于傳統(tǒng)車，電池系統(tǒng)激勵源產(chǎn)生主要是由于汽車在行駛過程中，路面的不平整造成的，路面的激勵頻率大部分都是集中在低頻端，電池系統(tǒng)在設(shè)計過程中主要宗旨是提高電池系統(tǒng)的整體固有頻率。
電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度應(yīng)至少滿足《GB/T 38031-2020 電動汽車用動力蓄電池安全要求》中電池系統(tǒng)振動可靠性的標準要求或整車企業(yè)的標準要求。
（1）提高電池系統(tǒng)整體固有頻率：
? 提高電池系統(tǒng)剛度：如增加車體安裝點，優(yōu)化固定梁結(jié)構(gòu)設(shè)計；
? 減少電池系統(tǒng)的重量：輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇；
（2）疲勞強度高的材料選擇；
（3）提高電池系統(tǒng)強度：避免質(zhì)量過度集中，在質(zhì)量集中位置增強結(jié)構(gòu)設(shè)計；固定梁焊接要求、結(jié)構(gòu)緊固件的選型及固定扭矩設(shè)計均應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范要求。
3、全生命周期高防護等級安全設(shè)計
安裝在車身外部的電池系統(tǒng)應(yīng)具備IP67 或以上的防護等級，并應(yīng)定期維護檢測以避免整個生命周期內(nèi)防護等級在使用過程造成降低。
3.1 電池系統(tǒng)接觸防護
（1）集成式BDU，并具備外殼防護設(shè)計；
（2）模組級別正負極位置防護設(shè)計；
（3）高壓連接器防護:
? 連接器插座與插頭中接觸件都需與保護外殼做相互絕緣處理，保證外殼絕緣不帶電，保證操作人員的安全。
? 在電池系統(tǒng)高壓連接器防護設(shè)計時，最常選擇使用的是IPXXB/IPXXD 的防護等級。
3.2 電池系統(tǒng)防水防塵
（1）電池系統(tǒng)箱體防護要求：
? 電池箱體防護在全生命周期等級達到IP67 等級；
? 電池箱體密封墊設(shè)計時，考慮其吸水率、壓縮率、及阻燃特性；
（2）防水透氣閥:與箱體配合處防護在全生命周期等級達到IP67 等級；
（3）電氣接口防護要求:
連接器插座與插頭連接端處于箱體外部，此端須保證插座與插頭接觸良好、過流、過壓持續(xù)、穩(wěn)定、拆卸方便，同時有插座端口保護蓋設(shè)計。有以下內(nèi)容需保證：
? 連接器插座與箱體配合處的防護等級須達到IP67 等級；
? 連接器插座與插頭連接后的防護等級須達到IP67 等級；
? 連接器插座端口在未插合存放倉庫時，保護蓋須防塵防潮且能滿足經(jīng)過長途運輸震動后保護蓋不會掉落。
3.3 電池系統(tǒng)防爆防護
電池系統(tǒng)應(yīng)具備有效的泄壓裝置，可以快速平衡內(nèi)外部氣壓變化，防止因內(nèi)部氣壓過高造成殼體變形引起的防護等級降低或失效。
泄壓裝置安裝的位置和方向應(yīng)避免對乘員艙或車輛周邊人員造成人身傷害，且應(yīng)避免引燃整車。
3.4 電池系統(tǒng)防腐防護
在全生命周期內(nèi)防腐的要求，要根據(jù)電池系統(tǒng)使用壽命要求和使用區(qū)域環(huán)境要求來確定電池系統(tǒng)的防腐等級。
二、熱安全
通過熱管理系統(tǒng)對電池系統(tǒng)進行加熱、散熱、均衡、保溫；電池系統(tǒng)內(nèi)部要有防止熱擴散的結(jié)構(gòu)設(shè)計；關(guān)鍵部件的阻燃設(shè)計；來確保電池系統(tǒng)的熱安全。
1、可靠熱管理系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)鋰離子電池結(jié)構(gòu)及工作原理可知，無論在高溫或是低溫，都有引發(fā)電池熱失控的風險，而電池熱管理系統(tǒng)的設(shè)計目標就是結(jié)合BMS 控制策略和調(diào)整功能，控制電芯工作在舒適溫度范圍內(nèi)、并降低電芯之間的溫差實現(xiàn)性能均衡，從而保證系統(tǒng)熱安全并延長系統(tǒng)壽命。要實現(xiàn)以上目標，需從冷卻、加熱、保溫三個方面進行設(shè)計，同時還需保證整個系統(tǒng)的氣密安全，不允許發(fā)生冷卻液泄露。需關(guān)注低溫冷卻管路可能引發(fā)的冷凝水，避免因此而導(dǎo)致的絕緣、短路安全隱患。
（1）冷卻
a. 根據(jù)指定的嚴苛工況下的系統(tǒng)發(fā)熱量確定電池包散熱形式及控制邊界，保證電池最高溫度不超過允許使用溫度，且大多數(shù)時間能在舒適溫度范圍工作。
b. 建議正常工況下電池系統(tǒng)內(nèi)部采集的溫度點之間最大溫差不超過5℃，極限工況下最大溫差不超過10℃，且能滿足極限工況的連續(xù)運行（例如持續(xù)高速工況加快充）。
c. 為適應(yīng)不同工況，散熱系統(tǒng)可按有無chiller 以及風扇擋位分為多種回路：
? 風冷散熱系統(tǒng)中，能夠?qū)︼L扇狀態(tài)進行檢測并判定是否工作正常；當風扇或冷卻系統(tǒng)其它部件出現(xiàn)故障時能及時報警并采取保護措施（如限制充放電功率等）；
? 液冷系統(tǒng)中，能夠?qū)嚎s機、水泵等部件進行檢測并判定是否工作正常；當冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能及時報警并采取保護措施（如限制充放電功率等）。
（2）加熱
a. 在指定環(huán)境溫度下，實現(xiàn)在規(guī)定時間內(nèi)將電池系統(tǒng)加熱到規(guī)定溫度，使系統(tǒng)能夠快速達到允許充放電的工作溫度。
b. 電池系統(tǒng)最低溫度低于最小允許充電溫度時，建議對電池加熱之后再進行充電。
c. 加熱過程中盡量降低電池系統(tǒng)內(nèi)部采集的溫度點之間最大溫差。
d. 以電池包內(nèi)置加熱部件（如PTC 等）進行加熱的設(shè)計中，應(yīng)具備相應(yīng)的安全設(shè)計（如引入二次熱熔保護機制），當加熱部件溫度過高時，能夠切斷加熱部件電源，防止加熱元件出現(xiàn)干燒進而引燃電池。
（3）保溫
a. 將電池系統(tǒng)由常溫環(huán)境分別轉(zhuǎn)入高溫和低溫環(huán)境靜置，在規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)中的電池最高/最低溫度不超過目標值。
b. 高溫環(huán)境保溫時，建議減小電池系統(tǒng)內(nèi)部采集的溫度點之間溫差。
（4）氣密安全
a. 對于液冷系統(tǒng)，應(yīng)采用相應(yīng)的措施防止管路、接頭等部位發(fā)生泄漏，并在生產(chǎn)過程中采取相應(yīng)的檢測工藝以確保產(chǎn)品安全。
b. 當液冷系統(tǒng)發(fā)生泄漏至可能產(chǎn)生安全隱患的閾值的時，建議具有檢測手段能及時檢測并報警。
2、電池系統(tǒng)熱擴散防護設(shè)計
引起熱失控風險的因素有很多，如極端的環(huán)境溫度、過充過放、內(nèi)短外短、電池制造缺陷等等。既然無法完全避免熱失控風險，那就需要采取相關(guān)的防護設(shè)計來降低熱失控發(fā)生時的危害。熱量傳遞是熱失控擴散蔓延的重要原因，因此傳熱特性會直接影響熱失控擴散速率。此外，電池間的電連接也會影響熱失控擴散。現(xiàn)行的熱擴散測試標準和法規(guī)可參見《GB 38031-2020 電動汽車用動力蓄電池安全要求》，測試對象為模組和電池包，要求單個電池發(fā)生熱失控時，引起熱擴散、進而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險之前5 分鐘，應(yīng)提供一個熱事件報警信號，同時建議系統(tǒng)應(yīng)具備避免熱失控事件傳播到相鄰電池的能力?？梢姡瑹釘U散防護必須從電芯、模組、系統(tǒng)三個方面進行考慮。
（1）電芯級
a. 相鄰電芯間建議具備一定的隔熱設(shè)計（如增加絕熱氈、氣凝膠等隔熱阻燃材料），延緩熱蔓延。
b. 電芯防爆設(shè)計（如防爆閥等）指向建議避免直接朝向相鄰電芯，防止產(chǎn)生鏈式反應(yīng)。
電芯的開閥保護時間，需要在單電芯、模組中保持一致性，開閥的條件應(yīng)在一定的偏差范圍內(nèi)。
（2）模組級
a. 模組間建議考慮合適的間距，具備一定的防止熱蔓延的能力；建議采用隔熱設(shè)計（如隔熱罩等），抑制熱量在相鄰模組間的蔓延。
b. 設(shè)計合理的電連接孔、泄氣孔及火焰導(dǎo)向孔，防止蔓延。
c. 對于不具備單體熔斷功能的電芯，模組建議采用可熔斷連接設(shè)計，防止電芯內(nèi)短路時其他并聯(lián)電池產(chǎn)生電流倒灌，引發(fā)熱失控。
（3）系統(tǒng)級
a. 電池殼體（包括上蓋、底板以及密封條等附件）應(yīng)采用阻燃材料，以避免明火引燃整車；
b. 電池包內(nèi)部高壓線束（包括主回路高壓線束、電池電壓采集線束等）建議具有熔斷保護，防止在熱失控期間因線束受損短路引起的二次傷害。
3、電池關(guān)鍵部件阻燃設(shè)計
為延緩熱失控擴散，延長乘員逃生時間，電池系統(tǒng)的零部件應(yīng)盡量選用阻燃等級較高或者不燃燒的材料，這樣即使在熱失控的極端環(huán)境下，這些零部件至少不會進一步加劇反應(yīng)。
（1）電池系統(tǒng)內(nèi)部有機材料（如結(jié)構(gòu)膠、導(dǎo)熱膠等）應(yīng)采用阻燃等級較高的材料。
（2）應(yīng)重點評估電池包內(nèi)薄片非金屬材料的阻燃等級。
（3）其他與電芯直接接觸材料，以及電氣件、熱管理部件等應(yīng)選用阻燃等級較高或者不燃燒的材料。
（4） 在電芯熱失控以后，建議評估噴發(fā)物對模組周圍帶來的絕緣下降引起的短路造成的二次加熱。
三、電氣安全
1、絕緣要求
1.1 電氣絕緣
（1）電池系統(tǒng)的絕緣設(shè)計應(yīng)滿足GB/T 18384 或企業(yè)要求；
（2）通過絕緣材料來提供觸電防護的，則電氣系統(tǒng)的帶電部分應(yīng)當全部用絕緣體覆蓋；
（3）絕緣材料應(yīng)能承受電動汽車及其系統(tǒng)的溫度等級和最大工作電壓；
（4）絕緣體應(yīng)有足夠的耐電壓能力，進行耐電壓試驗不應(yīng)發(fā)生絕緣擊穿或電弧現(xiàn)象。
1.2 電氣間隙、爬電距離
（1）電池系統(tǒng)高壓系統(tǒng)的電氣間隙和爬電距離參考GB/T 16935.1-2008；
（2）根據(jù)耐壓等級、環(huán)境污染等級確定電氣間隙；
（3）根據(jù)環(huán)境污染等級、材料CTI 值、工作電壓、工作海拔高度等確定爬電距離；
（4）當主電路與控制電路或輔助電路的額定絕緣電壓不一致時，其電氣間隙和爬電距離可分別按照其額定值選取。主電路或控制電路導(dǎo)電部分之間具有不同額定值時，電氣間隙與爬電距離應(yīng)按照最高額定絕緣電壓選取。
1.3 電位均衡
（1）所有組成電位均衡電流通路的組件（導(dǎo)體、連接部分）應(yīng)能承受單點失效下的最大電流；
（2）電位均衡通路中任意兩個可以被人同時觸碰到的外露可導(dǎo)電部分之間的電阻應(yīng)不超過0.1Ω，滿足標準GB 18384-2020 要求。
2、電連接可靠性安全設(shè)計
電池系統(tǒng)內(nèi)的電連接設(shè)計包括模組內(nèi)電連接設(shè)計和模組外電連接設(shè)計。模組內(nèi)電連接設(shè)計包括：電芯間電連接、溫度及電壓采樣；
（1）電芯間電連接
電芯間電連接需要滿足過流要求，材質(zhì)一般是銅、鋁或者鎳，應(yīng)注意避免銅鋁間電化學(xué)腐蝕。
（2）溫度采樣
a. 作為檢測電池狀態(tài)的一個重要手段，在設(shè)計時主要關(guān)注兩個方面：排布位置和連接可靠。
b. 排布位置建議可采集到模組內(nèi)最高及最低溫度。
c. 采樣線可考慮防短路措施。
（3）電壓采樣
由于電壓采樣直接與電芯正負極相連，若連接位置阻抗過大，會影響電壓的采樣精度，因此，電壓采樣需選擇阻抗較小且比較安全可靠的連接方式，采樣線需要考慮防短路措施。
（4）模組外電連接設(shè)計
包括模組間電連接設(shè)計、模組與電氣件間的電連接設(shè)計、電氣件間電連接。
模組外電連接一般使用鎖螺栓或螺母作為對外電連接端口，在設(shè)計時應(yīng)注意避免電電連接部位受載，同時應(yīng)保證螺栓連接可靠性。
（5）為了電池系統(tǒng)維護的方便性和安全性，建議系統(tǒng)要設(shè)計有專門的維修接口，如用于熔斷器的更換，以及電池系統(tǒng)內(nèi)單體電池狀態(tài)調(diào)整接口。
2.1 系統(tǒng)過電流能力
（1）電池系統(tǒng)內(nèi)部主回路各連接部分應(yīng)具有在整個生命周期內(nèi)承受系統(tǒng)最大持續(xù)電流的能力。
（2）電連接面積選擇考慮溫升和老化要求。
2.2 電氣連接可靠性
（1）電池系統(tǒng)內(nèi)部主回路各電連接部分應(yīng)具有有效的設(shè)計，建議采用螺紋膠鎖死，以保證在整個生命周期內(nèi)保持連接阻抗的可靠性。
（2）電池系統(tǒng)內(nèi)部主回路各電連接部分的連接阻抗應(yīng)具備明確的指標及檢測方法，以便在生產(chǎn)及維護時進行檢測；
（3）電池系統(tǒng)內(nèi)線束高低壓連接端子與電線連接應(yīng)牢固，應(yīng)滿足QC/T 29106 汽車電線束技術(shù)條件中的規(guī)定；
（4）連接器需要具有一個鎖緊裝置以避免分離或接觸不良。高壓連接器應(yīng)具有高壓互鎖功能。
2.3 接地要求
高壓零部件接地一方面是為了改善EMC，另一方面是為了滿足安全需要。高壓零部件接地需滿足如下要求：
（1）所有與高壓部件靠近的金屬導(dǎo)體必須接地，如：冷卻板、接插件固定板、靠近高壓線的冷卻管道所連接的水口、BMU（HVM）外殼、EDM 金屬底板、金屬托盤等；
（2）所有接地點表面應(yīng)保證導(dǎo)電性，不應(yīng)有導(dǎo)電性差的漆及氧化物，防止接地不良；
（3）所有接地點應(yīng)保證一定的安裝扭矩；
（4）電池系統(tǒng)內(nèi)部接地建議采用專用的接地螺栓螺母或使用編織導(dǎo)線，電池系統(tǒng)與車底盤接地線推薦使用編織導(dǎo)線，同時接地端子需鍍錫；
（5）接地線應(yīng)盡可能短；
（6）電池系統(tǒng)內(nèi)接地點應(yīng)與車身電底盤連接。
四、電池系統(tǒng)安全性測試方法
電池系統(tǒng)級驗證主要是驗證電池系統(tǒng)完整的性能和功能，可考慮以下幾個方面：
（1）按照《GB 38031-2020 電動汽車用動力蓄電池安全要求》國標要求，通過振動、機械沖擊、模擬碰撞、擠壓、濕熱循環(huán)、浸水、熱穩(wěn)定性、溫度沖擊、鹽霧、高海拔、過溫保護、過流保護、外部短路保護、過充電保護、過放電保護測試。
（2）建議進行帶載振動試驗，充分發(fā)掘連接異常及溫升異常，評估安全可靠性（振動時充放電）。
（3）建議進行動態(tài)IP 模擬測試（振動、沖擊整車涉水等）。
（4）建議采用同一測試樣品在環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、振動狀態(tài)下同步進行多因素應(yīng)力綜合評估，評估完成后對該測試樣品再進行IP 防護等級評估，應(yīng)能夠滿足IP 防護等級的要求。
五、電池系統(tǒng)生產(chǎn)安全要求
1、生產(chǎn)過程中安全防護要求
（1）嚴格按照工藝流程裝配，裝配過程中避免出現(xiàn)壓線等現(xiàn)象，防止操作中短路。
（2）生產(chǎn)及轉(zhuǎn)運過程中應(yīng)對單體、模組、系統(tǒng)及關(guān)鍵部件（熔斷器、接觸器等）進行必要的防護，避免因磕碰、跌落等造成安全隱患。
（3）生產(chǎn)及轉(zhuǎn)運過程中裸露的BMS 或采集板應(yīng)進行有效的靜電防護。
（4）電池系統(tǒng)宜具備手動維修開關(guān)或Fuse。生產(chǎn)及轉(zhuǎn)運過程中，電池系統(tǒng)上的維修開關(guān)應(yīng)當拔掉插頭并蓋上防護蓋，確保切斷電池系統(tǒng)對外的高壓輸出，電池系統(tǒng)上的高壓連接器應(yīng)裝有防護蓋，確保操作人員安全。
（5）對模組、殼體的連接硬點進行必要的防護，避免因部件變形造成緊固點失效。
（6）對柔性或易變形部件（如密封墊、發(fā)泡硅膠）等進行工裝防護，避免因部件變形造成失效。
（7）電池系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)對帶電部件及連接點進行有效的防護，滿足GB 4208 中規(guī)定的IPXXB 防護等級要求，防止在生產(chǎn)或維護過程中因人員誤觸導(dǎo)致的安全隱患。
（8）裝配過程中使用的工裝及工具與產(chǎn)品接觸部分宜采用絕緣材質(zhì)或做好絕緣防護，避免裝配過程產(chǎn)生短路風險。
（9）生產(chǎn)及裝運過程各零部件應(yīng)固定牢固，避免運動過程中摩擦損壞導(dǎo)致短路。
（10）接通高壓電前，必須進行高壓電部件殼體接地檢查，確認高壓電部件的裝配和連接可靠。
（11）對高壓電部件進行拆裝前，必須進行斷電操作，確認已斷開緊急開關(guān)和12V 電源。
（12）在高壓部件的拆卸、安裝或其他操作時，操作人員需要取得低壓電工證資質(zhì)，佩戴高壓絕緣手套，穿絕緣靴，同時必須做好自身的絕緣保護措施，身上不得帶有任何金屬物品。
2、合理的下線檢測

 
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