乐艳飞：UL动力电池热安全研究

2019年1月8日-9日,2019第二届中国(成都)新能源汽车高峰论坛在成都星宸航都国际酒店盛大举行。UL能源与电力科技部首席工程师——乐艳飞,在1月8日下午举行的新能源汽车总工技术峰会上发表了名为《UL动力电池热安全研究》的主题演讲,电车资源整理乐艳飞演讲主要内容如下:

UL能源与电力科技部首席工程师乐艳飞

一、锂电池热安全研究

(一)锂电池的热失控

锂电池的热失控起源于电芯内部短路、过充电或外部热源等原因造成电芯内部热生成。热量若没有被及时抑制,就会造成电芯负极SEI膜分解、隔膜溶解,进一步加剧电芯内短路,产生更多的热量,并造成电解液的分解。随着温度的升高,内部化学物质更加不稳定,正极分解坍塌并与电解液反应,释放更多的热量,并伴随氧气的产生,最终造成电芯的热失控,出现起火或者爆炸等现象。

(二)锂电池产品事故和原因

目前,锂电池被广泛地应用在各类产品中。然而,在锂电池产品的使用过程中,无论是手机、笔记本、平衡车或是电动汽车、飞机,以及储能电站等,都陆续有产品起火的报道。乐艳飞表示,对这些事故发生的原因进行总结的话,主要原因有以下几点:电芯缺陷、控制系统缺陷、系统外壳结构设计问题,除此之外,还有外部环境对电池的影响,如外部挤压碰撞等外部应力、外部短路等问题。

从设计角度来看,我们应该更关注电芯、控制系统和整包结构设计,并提高锂电池产品的安全性。

1.电芯安全

电芯安全方面主要分为两点,电芯设计和电芯生产质量的管控。

1.1电芯设计

关于如何做一个更安全的电池芯,乐艳飞认为,比较关键的几点是化学材料和体系的选择,隔膜设计和隔膜厚度、内部保护机制的引入、电芯边界参数的正确定义、充分可靠的绝缘、电芯外壳的设计等。

1.2电芯生产质量

对多起电池起火事故进行失效分析后发现,很多电池芯在生产过程中由于质量管控不到位造成电芯质量有缺陷。电芯工厂应该建立严格的生产质量管控体系,包括活性物质质量控制、涂覆均匀性和可靠性控制、隔膜质量管控、制程工艺污染或毛刺管控、绝缘位置管控、焊接工艺管控以及全面的产品筛选机制等。

2.控制系统的安全设计

动力电池的安全主要依赖电池管理系统BMS的设计。BMS设计者首先要明确电芯的安全工作边界参数,根据不同的边界条件值来设置合适的保护参数和策略。不同的化学体系,如不同的三元材料或者磷酸铁锂电池,其边界条件都是不同的,需用相应的性能和安全测试来明确其边界条件。在保护机制上,需要充分考虑短路保护、充放电的电压、电流、温度范围等保护。BMS保护必须可靠,达到整车对电池的功能安全的要求等级。

此外,锂电池在使用过程中存在老化现象,随着电池的老化,电池的安全工作边界条件也会收缩变化,而BMS的保护是否随之调整,这些都是在设计时需要考虑的。

3.电池系统结构的安全设计

在电池系统结构的安全设计上,可以从电气连接可靠性、外壳机械强度、电芯远离热源、选用阻燃材料、增加泄气设计、合理配置热控制系统等方面来考虑。

其中,电气连接可靠性是非常关键的一点,市场上的整车起火案例或是其他动力电池产品的起火案例,很多和电气连接松脱有关。由于在使用过程中,电池产品会不断受到振动或者冲击,不可靠的电气连接部分会逐渐松脱,造成连接阻抗明显增大,电流流过时产生大量热量,热量传导给电池,最终造成电池或者整个产品的起火。

关于整包的热扩散抑制,乐艳飞表示,应该从电芯、模块到整包三个层面来考虑。在电芯层面,电芯足够安全才能防止电芯发生热失控。然而,整车电池包中所用电芯数量众多,还是有机率个别电芯会发生热失控,这时候就要抑制电芯到电芯之间的热扩散,以及模块到模块之间的热扩散,可以考虑合适的阻燃材料来减少或隔离电芯之间的热传导,通过合适的物理距离来降低模块之间的热传导和热辐射,并通过合适的系统冷却装置来及时将热量疏导到产品外部。最后,也要考虑到热失控扩散到整包层面的机率,在整包层面加入泄压阀或防爆阀设计,防止整包层面的起火或者爆炸。目前,部分厂商很关注电池包的防水问题,对电池包的密封性要求很高,但却在电池包的泄压阀和防爆方面考虑得较少。对于金属外壳的电池包,随着内部电池的热扩散失控蔓延,众多电芯释放的压力在电池内部不断累积,当内部压力过大时而没有泄压口,就会造成整个电池包的爆炸和轰燃,危险程度巨大。

二、电池失效分析策略

电池产品一旦失效后应怎么分析呢?乐艳飞说到,当车辆烧毁后,可调查的东西很少,应尽可能收集可能的产品的信息和失效因素,如产品的设计、制造工艺、使用环境等。

通过对收集的数据进行详细的分析,建立产品失效的基本假设。然后根据这个一假设条件,进行一些列的模拟测试,包括性能和安全滥用测试,以期来复制电池失效。如测试结果与假设不符,则调整假设;如与假设相符的话,则得到相应的结论。

最后,乐艳飞介绍到,UL致力于电气产品的标准制定和产品安全评估。在新能源领域,UL开发的标准涵盖动力电池、充电桩、充电器、车载充电器、梯次利用等标准。除此之外,UL还提供电池安全培训、性能及滥用测试、功能安全评估、电池安全认证以及电池产品安全失效分析等服务。

来源:电车资源

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