中汽研王芳：动力电池热安全评价研究

电动汽车资源网讯：

9月23日,由张家港市發(fā)展和改革委员會(huì)、张家港市科技局主办道一,江苏天鹏电源有限公司、电动汽车资源网承办,江苏华东锂电技术研究院协办,苏州益高影茂电动客车有限公司、新能(néng)源巴士联盟支持的“2016中國(友北guó)新能(néng)源汽车动力电池产业技术發(fā)展高峰论坛暨车企与动力校又电池企业技术交流會(huì)”(以下简称“动力电池交流會(h睡物uì)”)精彩继续。电动汽车资源网將(jiāng)全称报道(dào)此見民次會(huì)议。

今日下午的大會(huì)则主要围绕“动力电池安全和梯次利用”主题進(頻風jìn)行讨论,中國(guó)汽车技术研究中心电池首席专家、博士王芳東服女士發(fā)表了题为“动力电池热安全评价研究”的演讲。

中國(guó)汽车技术研究中心电池首席专家、博士王芳

以下是由电动汽车资源网整理的王芳博士演讲的主要内容：

今天我报告的题目是动力电池热安全评价的研究。今年有這(zhè)麼(me)多的路雜安全事(shì)故,這(zhè)種(zhǒng)情况下讨论這(車金zhè)个更有意义。报告分三个部分,一是为什麼(me)要做這(zhè小通)个事(shì)儿?二是热失控扩散的测试评价。

大家可以看到(dào)我们這(zhè)几年的一些电动汽车的事(shì)故視物:

1.2008年 Prius PHEV 起(qǐ)火事(shì)件

事(shì)故原因：因装配设计存在缺陷(报道(dào)中称用户對(duì)跳暗电池包進(jìn)行了改装),行驶中电池组某处接头松动,该处电阻增大,那遠异常生热导致其附近温度過(guò)高,并最终引發(fā)热失喝放控,并波及整个电池包。

2.2013年 Tesla Model S 起(qǐ)火事(shì)去遠件

事(shì)故原因：汽车在高速运行中,与路面(miàn)上的大型訊短金属物体發(fā)生碰撞,底盘(电池包外壳)被(bèi)刺穿,导致电池内部短少外路,引發(fā)热失控。

3. 2011年 雪佛兰沃蓝达PHEV 起(qǐ)火事(shì)件

事(shì)故原因：车辆在碰撞测试中锂电池组受损,經(jīn煙如g)過(guò)翻滚试验後(hòu)电池热管理系统的冷却液泄露并与电池组件接中西触,有导致电池内部短路的风险,并會(huì)最终引發(fā)自燃。

电动汽车起(qǐ)火事(shì)故的直接原因有很多種(zhǒng)可以看到(制文dào)的過(guò)热、内短路、外短路碰撞等等现象,而最终的表现是整个电到化动汽车的热失控,其实应该叫(jiào)热失控的蔓延。

锂离子动力电池热失控的發(fā)生机制:锂离子电池在正常充放电反应外,還(h朋歌ái)存在许多潜在的放热副反应。当电池温度過(guò)高或充电电压過(guò)風分高時(shí),容易引發(fā)。

主要的過(guò)热副反应:1.SEI膜分解导致电解液在裸露的高活性碳木物负极表面(miàn)的還(hái)原分解;2.充电态正极的热分解;喝做3电解质的热分解;4.粘结剂与高活性负极的反应。

看一下這(zhè)个图,刚刚提到(dào)4个副反应,如果在某一个环节断裂,們都不發(fā)生後(hòu)续的连锁反应,就(jiù)不會(huì)發南低(fā)生大规模扩散的事(shì)故,就(jiù)是我们所期望的對有结果。

上图是在不同温度的時(shí)候發(fā)生反应的温度范围。風關

锂离子动力电池热失控评价的必要性:尽管电池能(néng)够通過(guò)当前法輛謝规测试,但也不能(néng)保证电池不會(huì)發(fā)生热失控。很多笑喝我们不期望的一些状况會(huì)造成(chéng)热失控的發(fā)生。第事商一个就(jiù)是内短路,第二个是快充等這(zhè)樣(yà頻能ng)的一些特殊的使用环境造成(chéng)的热失控,第三个因为寿命的衰了離减,出现了一些异常反应。

热失控是不可避免的,安全是相對(duì)的,不安全是绝對(du農鐵ì)的。怎麼(me)做才能(néng)够尽量地提高安全的几率,降票子低安全事(shì)故發(fā)生的风险呢?需要保证的是什麼(me)?安人微全。当热失控發(fā)生了,還(hái)要保证什麼(me)安全呢?保對師障的是這(zhè)个時(shí)候车上的乘员的安全,乘员在电池發(fā)生热失書業控的状态下,能(néng)够快速地逃离到(dào)安全的区域,不發(fā)生做志人员伤亡,這(zhè)个是我们要求的安全。

我今天提到(dào)的测试评价就(jiù)是希望提一个要求:不管采用什麼(me司妹)樣(yàng)的技术,电池是一个系统工程,从电芯的生产到(d做鐵ào)集成(chéng)可能(néng)需要很多的工作,无论想器呢用什麼(me)樣(yàng)的技术手段保障,我只要求你在一个电芯事(白弟shì)故發(fā)生的情况下让乘员有逃生的時(shí)间,發(開新fā)生起(qǐ)火等严重事(shì)故之前有足够的逃生時(shí)间。

美國(guó)一家实验室提出,热失控产生扩散是不应该發(fā)關離生的,希望车厂在做电芯设计的時(shí)候,將(jiāng)阻止电廠制池热失控的扩散蔓延發(fā)生作为重要的目标。

各種(zhǒng)情况导致热失控發(fā)生的時(shí)候,我们怎歌大麼(me)去评估它?這(zhè)裡(lǐ)面(miàn)就(jiù上知)要解决的问题是怎麼(me)触發(fā)?怎麼(me)评估?怎麼(me)判断是綠能否能(néng)够pass這(zhè)个实验?所以這(zhè)个是我们體看做這(zhè)个研究的背景。

整车厂要设计一款电池,要做好(hǎo)热管理,关心的不单单是热失控的安全玩聽问题,還(hái)有电池本身的比热容、产热速率、产热量,不同的条件下产热量和产微樂热速率是什麼(me)樣(yàng)的?這(zhè)些基本的热愛通特性是热稳定性的边界条件,也就(jiù)是說(shuō)电池本身的热稳綠和定性包括它的热失控不同阶段的参数,還(hái)有生命周期的热稳定性。

电池做热失控的時(shí)候,可以看到(dào)不同阶段热稳定是什麼場音(me)樣(yàng)的状态,最关心的是有几个点:一个是当电芯刚刚開花樹(kāi)始發(fā)生热失控的点,一个是电池發(fā)生热失控的终端最高温度媽雜点,当然還(hái)有就(jiù)是刚開(kāi)始自产热的点。

给企业做這(zhè)樣(yàng)的测试评价的時(shí),車哥状态不同的测试都(dōu)會(huì)影响电池自身热的稳定性,這(離店zhè)个是能(néng)够监测到(dào),能(néng)够测试评价討暗的,能(néng)够很好(hǎo)很直观看到(dào)的。但讀通现在的问题是,怎麼(me)能(néng)够把内短路,像這(zhè)種(zhǒn腦靜g)无法通過(guò)检测手段表达的這(zhè)種(zhǒn時暗g)热失控来测试出来?

测试评价需要触發(fā)一个热失控,触發(fā)一个热失控,可問時能(néng)有几種(zhǒng)办法,包括加热、過(guò)充等等,其藍舊他的办法也有试過(guò),目前来說(shuō)這(zhè)几種(zhǒng)去紙办法還(hái)是能(néng)够实现。如果用這(zhè)几種(zhǒng)草話方法不能(néng)触發(fā)电池的热失控,我们认为這(zhè)个电芯是理東安全的是可以的,就(jiù)不再進(jìn)行实验,如果有一个暗內办法让电池發(fā)生热失控了,這(zhè)種(zhǒng)情况你醫下不管中间有什麼(me)樣(yàng)的過(guò)程,我们直接到(dào務路)最下面(miàn),到(dào)最後(hòu)当最终电芯發(fā)生热失車醫控的時(shí)候,整个系统能(néng)够维持多少分钟不起近工(qǐ)火不爆炸,這(zhè)个是我们关心的,也就(jiù)是說(shu筆窗ō)乘员是不是有足够的時(shí)间逃生。

当然這(zhè)个裡(lǐ)面(miàn)关心的就(jiù)是监测,就(jiù煙黑)是热失控發(fā)生的条件是怎麼(me)判断的?因为热失控实验的笑好時(shí)候不能(néng)自己走近了看,得通過(guò)相应的仪器和朋你参数评价。让电池包可以抗几分钟的热失控蔓延?用什麼(me)樣(yàn制討g)的办法最合理?第三个就(jiù)是监测的点怎麼(me)判化長定?

我们第一个要求几分钟,這(zhè)个裡(lǐ)面(miàn)其实我们最初了訊考虑得是在之前不起(qǐ)火不爆炸的,但是考虑了以後(hòu)又考虑了靜商烟雾的问题,几分钟到(dào)底怎麼(me)定呢?当我们监测飛店到(dào)一个热失控信号的時(shí)候,這(zhè)个時(shí)候木村司机需要做出反应,他有兩(liǎng)个時(shí)间是需要考虑的,一个就玩小(jiù)是說(shuō)当热失控發(fā)生的時(shí)候,一个是汽车起(公中qǐ)动、汽车制动到(dào)停止的時(shí)间;第二个就(jiù)是話年乘员逃生的時(shí)间,這(zhè)兩(liǎng)个時(shí)间之通女和是我们需要考虑的总時(shí)间,我们给电池留的起(qǐ)火時(shí)间機她必须大于這(zhè)个時(shí)间。

我们做過(guò)一个实验,用电动车做了简易的实验,车上5个人都(dō頻刀u)系好(hǎo)了安全带,在發(fā)出指令以後(hòu),迅速逃不事离安全区域以外所用的時(shí)间大概是平均10几秒之内,這(站費zhè)是一个乘用车的;我们又做了商用车的实验,這(zhè)个跟上海銀妹消防所一起(qǐ)做的,80人用了一个大巴车做了实验,实验分了錯內几类,一个是前门開(kāi),後(hòu)门開(kāi)或者是前後(h我畫òu)门都(dōu)開(kāi),還(hái)有就(jiù)是在车裡(l小我ǐ)面(miàn)放烟雾,同時(shí)放烟雾的情况下做实验門作,所以說(shuō)做了各種(zhǒng)实验以後(hòu)時兒得到(dào)的数据大概是這(zhè)樣(yàng)的,最高的是在50几秒撤离她話,這(zhè)个是大家非常井然有序而且知道(dào)沒(méi)有任何问廠遠题,沒(méi)有任何危险的情况下的结果,我们之前還(hái)做她區了一个实验,大概是用了一个大巴车,跑5米以外大概需要的時(shí)间是4分在廠钟左右,人员差不多的但是人员的分布年龄结构优差异。权衡考虑几个方面(一音miàn),实验的结果和跟國(guó)际专家的协商,目前来說(什錯shuō)认为5分钟的時(shí)间,不起(qǐ)火不爆炸是给亮綠热失控扩散基本的要求。

第二个关心的问题触發(fā)的方法,我刚刚提到(dào)有三種(zhǒng鄉醫):针刺、加热、過(guò)充,這(zhè)三个方法都(dō有林u)做了相应的研究。我们對(duì)這(zhè)个模块,传递到(dà村道o)後(hòu)面(miàn)电池的速度和方式都(dōu)進(jì來妹n)行了详细的分析,這(zhè)个实验结果拿到(dào)國(g購有uó)际法规上讨论的時(shí)候,沒(méi)有得到(dào)任何人的认學頻可,模块不代表PACK。

去年年初開(kāi)始又做了大量的电池PACK的热失控实验,一共有十几个知個电池的PACK实验,其中包括方形软包的,实验就(jiù)涉及到海文(dào)一个问题,有時(shí)候为了达到(dào)這(z影低hè)个实验的目的,對(duì)电池的樣(yàng)品做小小的雨城改动,而這(zhè)个改动也是會(huì)引起(qǐ)极多的讨论,因为改变了聽放电池包的状态,目前状态下沒(méi)有办法改变,尽可能(néng)降低拿林改动的幅度。另外還(hái)有一个实验是通過(guò)气缸把针直接刺進(jìn白件)去了,第二个就(jiù)是過(guò)充,這(zhè)个樣(yàng)品就明電(jiù)是把這(zhè)个PACK左上角的進(jìn)行了改变,接上了一事道个冲放电线,對(duì)它单个的進(jìn)行過(guò)充事章,其它的模块是不变的,我们看到(dào)最终的电池PACK,大家可以看到喝計(dào)著(zhe)火了,這(zhè)个其实是小的PACK,我今天想跟吃音大家展示的都(dōu)是所有实验的過(guò)程,而且实验要求是5分钟之内不起制少(qǐ)火不爆炸就(jiù)可以,所以大家看到(dào)各種(zhǒng)志頻不同的现象。這(zhè)个也是過(guò)充的实验,但是因为我们這(z公高hè)个电池容量非常大,所以我们在做過(guò)充的時(shí)候用服我了很小的,三分之一,這(zhè)又引發(fā)了另外一个讨论,我们線空在這(zhè)麼(me)長(cháng)的時(shí)间内触發西女(fā),跟实际的情况又偏离很多,這(zhè)个也是我们要考虑的關綠问题。我们做的過(guò)充实验,19分钟的時(shí)候吸气,20分钟的時(女森shí)候有冒烟,但是沒(méi)有發(fā)生热扩散的现象。第三這國个方法就(jiù)是加热,加热目前是有几種(zhǒng),一種(zhǒng)腦視是用加热的block,而我们用加热的膜,当然還(hái)有加热泵雪是缠在膜上進(jìn)行实验,對(duì)于方形和软包的我们做的更多的是用藍農加热膜的做,對(duì)于圆柱的电池更多是用加热泵缠起(qǐ)新城来做实验,加热的方法是目前相對(duì)接受度比较高的实验,大家為黑可以看到(dào)SAEJ2464裡(lǐ)面(miàn)已鐵林經(jīng)有推荐的方法。

我们做的用加热膜给电池加热触發(fā)的实验,這(zhè)个是整个实验的也農操作的過(guò)程,一个流程,這(zhè)个流程是可以跟大家分享的們西,因为咱们电动客车的安全也正在做,裡(lǐ)面(miàn)也要求對學冷(duì)电池的单体的热���"q�