华霆动力劳力:四大维度设计护航动力电池系统安全

来源:高工锂电网   发布时间:2016-12-12 15:35      设置字体:
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摘要:劳力介绍,电池系统需要从不同层级考虑安全设计,涉及单体、模组、系统、整车。单体是电池系统的安全基础及设计依据;模组需要考虑故障单体的被动隔离设计;系统要考虑主动安全与被动安全相结合;整车则要求为电池系统提供足够的防护。
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对于电池系统而言,最重要的特点是保证安全,在这个基础之上,安全系统的可靠性、稳定性才有讨论的空间。从安全设计的角度来讲,电池系统需要不同的层级针对时效模式和时效机理进行安全设计。

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  在128日上午“从系统角度看动力安全与续航”专场中,华霆动力总工劳力做动力电池系统安全设计和测试的主题演讲。

  劳力介绍,电池系统需要从不同层级考虑安全设计,涉及单体、模组、系统、整车。单体是电池系统的安全基础及设计依据;模组需要考虑故障单体的被动隔离设计;系统要考虑主动安全与被动安全相结合;整车则要求为电池系统提供足够的防护。

  从单体而言,单体小概率失效不可避免。随着电动车数量的增加和行驶里程的增加,使用时间增加非常快。在这种很大基数条件下,小概率失效不可避免。电动车达到几十万量,运行里程达到几十万公里的时候,这种情况必然发生。单体失效产生的原因,可能是设计缺陷或者滥用,这可以通过改变设计来解决,但是生产缺陷很难解决。

  例如电池内部存在金属杂质,在电池充放电过程中,杂质参与到氧化反应当中,当杂质沉积足够多的时候,就会形成安全事故。如果是非金属杂质,有可能对隔膜形成阻断,导致隔膜形成局部的电流密度不均,可能在杂质周围形成滞晶,要彻底解决并不是容易的事情。因此在模组设计的时候,需要基于单体失效的进行设计。

  以18650为例,单体发生失效时,通过被动保护方式隔离失效单体。当失效电芯温度提高到某种程度之后,导致电池温度进一步升高,最后达到失控的温度。当电池发生失控之后,温度会达到上千度,通过热辐射或者热传导的方式,对周围单体进行加热,形成周围单体的失效,传播下去,使整个系统有了这种传播。

  因此,需要在电回路和热回路上对单体进行隔离。由于电池单体发生短路的时候,电流非常大,通过熔断设计,失效电池单体温升所需要的能量就只是单体的化学能。当单体发生失效的时候,所传递给周围单体的热量需要控制在一定范围内,这样才能抑制热失控的传播,切断传播链条,从而保证系统安全。

  需要注意的是,在整个过程中,是靠模组被动设计来实现的,BMS过程中是参与不到保护过程中的。

  在系统安全设计层面主要是主动安全和被动安全相结合。被动安全设计包括结构设计、密封设计和隔离区设计。结构设计需要具有一定的强度,保证不会出现短路安全事故。密封设计一般装在车身外面,如果电池系统内部出现漏水的情况,有可能造成内部高压短路,或者电池颗粒的腐蚀等等,对电池安全有一定影响。

  隔离区是在电池内部划分一些隔热、隔火设计,尽量延缓内部的传播速度。主动安全设计,包括BMS功能安全设计热管理。只有在BMS正常工作的情况下,才能对系统故障进行检测和处理,不会因为自身的故障造成对系统管理的误报。需要控制电池系统不能在低温下进行大电流充电。最后是电池系统故障的检测需要有一个时间的标的情况,一般来讲,BMS会周期性对电池系统的状态参数进行检测,进行故障判断。

  当检测到有故障的时候,BMS系统会对故障采取一定的措施,例如切断继电器或者通报整车。这之间的延时需要保证电池系统从发生故障到产生危害时间不会超出,否则在BMS采取有效的动作之前,就有可能引起了电池安全故障。

  整车的安全主要需要有整车结构在极端条件下为电池系统提供足够的防护。这里举的是电动车碰撞的例子。所有的冲击,能量的变形,都是由整车的框架进行吸收,这样也保证了电池系统在极端条件下具有足够的安全性。

  安全验证上,除了国家的强制验证标准之外,还需要针对安全设计的不同层级失效机理和失效模式进行验证。安全测试并不能覆盖所有的失效机理和失效模式。安全测试并不能够覆盖到这些场景和模式。样品安全测试并不能覆盖到大批量产品安全生产缺陷。

  在单体验证方面,除了国标之外,我们还增加了通过外部加热等方式强制触发单体热失稳。

  电池模组方面,同样增加了热失控的传播测试,实验方法是在模组内部强制触发一个单体发生热失控,检测它是否会在模组内部传播。右上角是实验过程中的温度曲线,在失控的一瞬间可以达到800度,模组在单体电池发生热失控的,还是能够保证整个系统的热失控不会发生传播。

  在整车的安全验证方面,除了常规要求的碰撞之外,还进行了整车热失控实验;在整车正常工作的情况下,我们对电池内部的多个单体或者单个单体进行了热失控实验。这与前面的模组实验最大的区别,是在某个箱体中进行,这种情况下,整个系统的传热设计是非常重要的。

  劳力总结道,在单体极小概率失效不可避免的情况下,保证乘员安全是电池系统及整车设计必须攻克的课题。从美国消防协会的统计数据表明,新能源汽车碰撞之后发生起火自燃的风险并不会比燃油车更高,只有这样才能保证整个行业健康有效的发展。


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