中汽研王芳：動力電池熱安全評價研究

電動汽車資源網訊：

9月23日,由張家港市發展和改革委員會、張家港市科技局主辦,江蘇天鵬電源有限公司、電動汽車資源網承辦,江蘇華東鋰電技術研究院協辦,蘇州益茂電動客車有限公司、新能源巴士聯盟支持的“2016中國新能源汽車動力電池產業技術發展高峰論壇暨車企與動力電池企業技術交流會”(以下簡稱“動力電池交流會”)精彩繼續。電動汽車資源網將全稱報道此次會議。

今日下午的大會則主要圍繞“動力電池安全和梯次利用”主題進行討論,中國汽車技術研究中心電池首席專家、博士王芳女士發表了題為“動力電池熱安全評價研究”的演講。

中國汽車技術研究中心電池首席專家、博士王芳

以下是由電動汽車資源網整理的王芳博士演講的主要內容：

今天我報告的題目是動力電池熱安全評價的研究。今年有這么多的安全事故,這種情況下討論這個更有意義。報告分三個部分,一是為什么要做這個事兒?二是熱失控擴散的測試評價。

大家可以看到我們這幾年的一些電動汽車的事故:

1.2008年 Prius PHEV 起火事件

事故原因：因裝配設計存在缺陷(報道中稱用戶對電池包進行了改裝),行駛中電池組某處接頭松動,該處電阻增大,異常生熱導致其附近溫度過高,并最終引發熱失控,并波及整個電池包。

2.2013年 Tesla Model S 起火事件

事故原因：汽車在高速運行中,與路面上的大型金屬物體發生碰撞,底盤(電池包外殼)被刺穿,導致電池內部短路,引發熱失控。

3. 2011年 雪佛蘭沃藍達PHEV 起火事件

事故原因：車輛在碰撞測試中鋰電池組受損,經過翻滾試驗后電池熱管理系統的冷卻液泄露并與電池組件接觸,有導致電池內部短路的風險,并會最終引發自燃。

電動汽車起火事故的直接原因有很多種可以看到的過熱、內短路、外短路碰撞等等現象,而最終的表現是整個電動汽車的熱失控,其實應該叫熱失控的蔓延。

鋰離子動力電池熱失控的發生機制:鋰離子電池在正常充放電反應外,還存在許多潛在的放熱副反應。當電池溫度過高或充電電壓過高時,容易引發。

主要的過熱副反應:1.SEI膜分解導致電解液在裸露的高活性碳負極表面的還原分解;2.充電態正極的熱分解;3電解質的熱分解;4.粘結劑與高活性負極的反應。

看一下這個圖,剛剛提到4個副反應,如果在某一個環節斷裂,不發生后續的連鎖反應,就不會發生大規模擴散的事故,就是我們所期望的結果。

上圖是在不同溫度的時候發生反應的溫度范圍。

鋰離子動力電池熱失控評價的必要性:盡管電池能夠通過當前法規測試,但也不能保證電池不會發生熱失控。很多我們不期望的一些狀況會造成熱失控的發生。第一個就是內短路,第二個是快充等這樣的一些特殊的使用環境造成的熱失控,第三個因為壽命的衰減,出現了一些異常反應。

熱失控是不可避免的,安全是相對的,不安全是絕對的。怎么做才能夠盡量地提高安全的幾率,降低安全事故發生的風險呢?需要保證的是什么?安全。當熱失控發生了,還要保證什么安全呢?保障的是這個時候車上的乘員的安全,乘員在電池發生熱失控的狀態下,能夠快速地逃離到安全的區域,不發生人員傷亡,這個是我們要求的安全。

我今天提到的測試評價就是希望提一個要求:不管采用什么樣的技術,電池是一個系統工程,從電芯的生產到集成可能需要很多的工作,無論想用什么樣的技術手段保障,我只要求你在一個電芯事故發生的情況下讓乘員有逃生的時間,發生起火等嚴重事故之前有足夠的逃生時間。

美國一家實驗室提出,熱失控產生擴散是不應該發生的,希望車廠在做電芯設計的時候,將阻止電池熱失控的擴散蔓延發生作為重要的目標。

各種情況導致熱失控發生的時候,我們怎么去評估它?這里面就要解決的問題是怎么觸發?怎么評估?怎么判斷是否能夠pass這個實驗?所以這個是我們做這個研究的背景。

整車廠要設計一款電池,要做好熱管理,關心的不單單是熱失控的安全問題,還有電池本身的比熱容、產熱速率、產熱量,不同的條件下產熱量和產熱速率是什么樣的?這些基本的熱特性是熱穩定性的邊界條件,也就是說電池本身的熱穩定性包括它的熱失控不同階段的參數,還有生命周期的熱穩定性。

電池做熱失控的時候,可以看到不同階段熱穩定是什么樣的狀態,最關心的是有幾個點:一個是當電芯剛剛開始發生熱失控的點,一個是電池發生熱失控的終端最高溫度點,當然還有就是剛開始自產熱的點。

給企業做這樣的測試評價的時,狀態不同的測試都會影響電池自身熱的穩定性,這個是能夠監測到,能夠測試評價的,能夠很好很直觀看到的。但現在的問題是,怎么能夠把內短路,像這種無法通過檢測手段表達的這種熱失控來測試出來?

測試評價需要觸發一個熱失控,觸發一個熱失控,可能有幾種辦法,包括加熱、過充等等,其他的辦法也有試過,目前來說這幾種辦法還是能夠實現。如果用這幾種方法不能觸發電池的熱失控,我們認為這個電芯是安全的是可以的,就不再進行實驗,如果有一個辦法讓電池發生熱失控了,這種情況下不管中間有什么樣的過程,我們直接到最下面,到最后當最終電芯發生熱失控的時候,整個系統能夠維持多少分鐘不起火不爆炸,這個是我們關心的,也就是說乘員是不是有足夠的時間逃生。

當然這個里面關心的就是監測,就是熱失控發生的條件是怎么判斷的?因為熱失控實驗的時候不能自己走近了看,得通過相應的儀器和參數評價。讓電池包可以抗幾分鐘的熱失控蔓延?用什么樣的辦法最合理?第三個就是監測的點怎么判定?

我們第一個要求幾分鐘,這個里面其實我們最初考慮得是在之前不起火不爆炸的,但是考慮了以后又考慮了煙霧的問題,幾分鐘到底怎么定呢?當我們監測到一個熱失控信號的時候,這個時候司機需要做出反應,他有兩個時間是需要考慮的,一個就是說當熱失控發生的時候,一個是汽車起動、汽車制動到停止的時間;第二個就是乘員逃生的時間,這兩個時間之和是我們需要考慮的總時間,我們給電池留的起火時間必須大于這個時間。

我們做過一個實驗,用電動車做了簡易的實驗,車上5個人都系好了安全帶,在發出指令以后,迅速逃離安全區域以外所用的時間大概是平均10幾秒之內,這是一個乘用車的;我們又做了商用車的實驗,這個跟上海消防所一起做的,80人用了一個大巴車做了實驗,實驗分了幾類,一個是前門開,后門開或者是前后門都開,還有就是在車里面放煙霧,同時放煙霧的情況下做實驗,所以說做了各種實驗以后得到的數據大概是這樣的,最高的是在50幾秒撤離,這個是大家非常井然有序而且知道沒有任何問題,沒有任何危險的情況下的結果,我們之前還做了一個實驗,大概是用了一個大巴車,跑5米以外大概需要的時間是4分鐘左右,人員差不多的但是人員的分布年齡結構優差異。權衡考慮幾個方面,實驗的結果和跟國際專家的協商,目前來說認為5分鐘的時間,不起火不爆炸是給熱失控擴散基本的要求。

第二個關心的問題觸發的方法,我剛剛提到有三種:針刺、加熱、過充,這三個方法都做了相應的研究。我們對這個模塊,傳遞到后面電池的速度和方式都進行了詳細的分析,這個實驗結果拿到國際法規上討論的時候,沒有得到任何人的認可,模塊不代表PACK。

去年年初開始又做了大量的電池PACK的熱失控實驗,一共有十幾個電池的PACK實驗,其中包括方形軟包的,實驗就涉及到一個問題,有時候為了達到這個實驗的目的,對電池的樣品做小小的改動,而這個改動也是會引起極多的討論,因為改變了電池包的狀態,目前狀態下沒有辦法改變,盡可能降低改動的幅度。另外還有一個實驗是通過氣缸把針直接刺進去了,第二個就是過充,這個樣品就是把這個PACK左上角的進行了改變,接上了一個沖放電線,對它單個的進行過充,其它的模塊是不變的,我們看到最終的電池PACK,大家可以看到著火了,這個其實是小的PACK,我今天想跟大家展示的都是所有實驗的過程,而且實驗要求是5分鐘之內不起火不爆炸就可以,所以大家看到各種不同的現象。這個也是過充的實驗,但是因為我們這個電池容量非常大,所以我們在做過充的時候用了很小的,三分之一,這又引發了另外一個討論,我們在這么長的時間內觸發,跟實際的情況又偏離很多,這個也是我們要考慮的問題。我們做的過充實驗,19分鐘的時候吸氣,20分鐘的時候有冒煙,但是沒有發生熱擴散的現象。第三個方法就是加熱,加熱目前是有幾種,一種是用加熱的block,而我們用加熱的膜,當然還有加熱泵纏在膜上進行實驗,對于方形和軟包的我們做的更多的是用加熱膜的做,對于圓柱的電池更多是用加熱泵纏起來做實驗,加熱的方法是目前相對接受度比較高的實驗,大家可以看到SAEJ2464里面已經有推薦的方法。

我們做的用加熱膜給電池加熱觸發的實驗,這個是整個實驗的操作的過程,一個流程,這個流程是可以跟大家分享的,因為咱們電動客車的安全也正在做,里面也要求對電池的單體的熱???"q?