抑制电池包热失控的方式有哪些

2019-04-14      1896 次浏览

本次峰会以“供需协同与技术升级”为主题,围绕“技术开发与性能优化”、“整车配套与选型需求”、“动力电池回收与梯次利用”三大领域开展为期两天的深入探讨。


此次峰会上,宁德时代吴兴远做了题为“基于动力电池热失控与热扩散安全性工程化的解决思路与探讨”的主题演讲。


以下为演讲实录:


2016年在动力电池发生一些起火事件,从1月到11月份发生29起,有乘用车也有客车。总的数量有29起40辆车,原因有自燃,还有一些原因没分析出来,随着销量的增加,起火数逐渐增加,基本上呈一个正相关的关系。


在电池安全方面,刚才大家可能在法规上做了很多介绍,比方说GB/T31485,还有GB/T31467对电池系统的回放,2017年3月份提出来征求意见稿,可能对原先一些测试的东西做了一些修改,可以看到,这几年电动汽车安全法规比较关注的。


另外就是未来的一个市场,未来的市场需要什么样的电池,低成本、轻量化、长续航、可充电、高功率,对每一相对安全性都有成本,要求我们的电池包安全性必须增强,所以说这对我们电池的安全性带来非常高的挑战。


可以看到,产销量持续增长,所以三方面,一个是市场,就是2016年表现前几天的市场表现,以及政策法规,都要求我们把电池的安全做好。电池一个热失控一个模式介绍,电池几种情况可以发生热失控,比如说电池过热,还有电热的设计不合理,或者短路导致电池温升,还有过充,有可能功能失效,或者其他保护的失效,还有电池内短路,还有低温充电的时候,这些也有可能引发电池的热失控,还有一些机械触发。电池热失控有这么一幅图,这个时候放热速率不是很明显,温度过了这个点以后,大概在250多度左右,如果过了这个温度,它的反应会集聚增快,电解质,然后是大线路内短路。


抑制电池包热失控的方式有哪些?我这里介绍一下电池包热失控的一个过程,大概有这么五环节,第一BMS失效,导致电池过充,或者电芯外部碰撞,这种滥用情况出现,会导致电芯热失控。我们希望通过一些设计,防止电芯过热扩散给隔壁的电芯,我们可以优化电芯设计,可以放一些隔热材料,或者放一些PCM材料,改善一个热传播的情况,这样电芯的一个热量的传播,如果做到这一点,电芯也是安全的。电芯热失控防止电池包的爆炸和起火,把电池包产生的气体排到车外,避免造成人员的伤亡。


可以优化电池包的尺寸,增加排气通道增加这些措施。如果以上措施都失效了电池包最终还是起火爆炸了,这个时候我们就评估危害,比方说我们评估一下给乘客的逃生时间有多长,看逃生时间是不是满足要求。


前面提到了好多抑制的方法,好像一听上去这么做就安全了,其实不是这么简单。比方说我们要是增加电池的保护的东西,要选合适了,包括隔热材料一样,如果选薄了,可能起不到保护的作用,如果选厚了,可能会增加能量密度,成本也增加,所以怎么样去做好这些各个产品特性的平衡?这个是非常关键的。


我们公司在这方面主要做法以仿真为主,在产品的验证阶段以测试为主。我讲一下单电芯针刺的模型,这是一个电芯的示意图,这是一个针刺的模型,当这个针刺到这个电池里面以后会引起铜箔跟铝箔直接短路,这时候,电化学反应,有固态的扩散,锂离子的迁移。


这是一个仿真的结构,这是温度的原图,当这个外部的针刺到这个里面之后,电芯已经达到600度以上,已经达到热失控了,我们做一个电化学的材料优化跟选型,去抑制它的热失控,优化材料体系之后会做一个测试验证。再一个主要考虑电芯与电芯之间的隔热的设计,包括电芯与外界的一些辐射放热、对流放热等等,这里是一个仿真结果,我们的目的是防止这个热失控传播到第二个电芯,是保证第二个电芯不会受影响,让两个电芯之间的热量合理的隔开。


这是一个模组级别热失控扩散测试,热失控之后有两个电芯就发生了热失控,那么其他的十几个电芯有隔热的处理,其他的电芯没有发生热失控,这是模组的电压和温度的信息,我们会在模组的电芯的正负级,要看温度的一个情况,在这个案子里面,隔热的设计还是有效的。


如果模组设计成功了,电池包做一个优化,电池包级别有那么几个情况,压力过渡直接把电池包散开,或者局部的破裂,第二个温度过高,第一个过程就是当电芯爆开一瞬间有一个很强的冲击力,这个仿真结构可以到0.25兆帕的,电池包的压力累计不会超过我这个结构的一个能够承受的极限。


这是我们一个排气的测试结果,这是针刺实验,可以看到上盖已经鼓起,但是未破裂,到两三秒钟的时候,我们的防爆阀开始排气,实验结束,这个上盖基本上是保持原样。


前面提到很多仿真,这是介绍一下我们目前做的一些仿真,有一个是热箱仿真,就是把电池放在温度比较高的环境里面,看电池的反应情况。


这里我提的比较多的仿真,这里对比一些仿真跟测试的优缺点。因为基本上到大家知道在设备开始的时候,样品没有做出来,没法通过测试得出产品质量,仿真是一个非常好的工具,它在一定程度上指导设计的优化,所以仿真可以比较节省资源,如果完成测试的话,比方说我们一个电池包,如果完全用测试做安全设计的工作,这个成本对这个电池包会非常好。应用这个仿真,我们可以不断去优化设计,然后尽量减少测试数量来降低开发的成本。


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