樂(lè)艷飛：UL動(dòng)力電池?zé)岚踩芯?/p>

2019年1月8日-9日,2019第二屆中國(guó)(成都)新能源汽車高峰論壇在成都星宸航都國(guó)際酒店盛大舉行。UL能源與電力科技部首席工程師——樂(lè)艷飛,在1月8日下午舉行的新能源汽車總工技術(shù)峰會(huì)上發(fā)表了名為《UL動(dòng)力電池?zé)岚踩芯俊返闹黝}演講,電車資源整理樂(lè)艷飛演講主要內(nèi)容如下:

UL能源與電力科技部首席工程師樂(lè)艷飛

一、鋰電池?zé)岚踩芯?/strong>

(一)鋰電池的熱失控

鋰電池的熱失控起源于電芯內(nèi)部短路、過(guò)充電或外部熱源等原因造成電芯內(nèi)部熱生成。熱量若沒(méi)有被及時(shí)抑制,就會(huì)造成電芯負(fù)極SEI膜分解、隔膜溶解,進(jìn)一步加劇電芯內(nèi)短路,產(chǎn)生更多的熱量,并造成電解液的分解。隨著溫度的升高,內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)更加不穩(wěn)定,正極分解坍塌并與電解液反應(yīng),釋放更多的熱量,并伴隨氧氣的產(chǎn)生,最終造成電芯的熱失控,出現(xiàn)起火或者爆炸等現(xiàn)象。

(二)鋰電池產(chǎn)品事故和原因

目前,鋰電池被廣泛地應(yīng)用在各類產(chǎn)品中。然而,在鋰電池產(chǎn)品的使用過(guò)程中,無(wú)論是手機(jī)、筆記本、平衡車或是電動(dòng)汽車、飛機(jī),以及儲(chǔ)能電站等,都陸續(xù)有產(chǎn)品起火的報(bào)道。樂(lè)艷飛表示,對(duì)這些事故發(fā)生的原因進(jìn)行總結(jié)的話,主要原因有以下幾點(diǎn):電芯缺陷、控制系統(tǒng)缺陷、系統(tǒng)外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題,除此之外,還有外部環(huán)境對(duì)電池的影響,如外部擠壓碰撞等外部應(yīng)力、外部短路等問(wèn)題。

從設(shè)計(jì)角度來(lái)看,我們應(yīng)該更關(guān)注電芯、控制系統(tǒng)和整包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并提高鋰電池產(chǎn)品的安全性。

1.電芯安全

電芯安全方面主要分為兩點(diǎn),電芯設(shè)計(jì)和電芯生產(chǎn)質(zhì)量的管控。

1.1電芯設(shè)計(jì)

關(guān)于如何做一個(gè)更安全的電池芯,樂(lè)艷飛認(rèn)為,比較關(guān)鍵的幾點(diǎn)是化學(xué)材料和體系的選擇,隔膜設(shè)計(jì)和隔膜厚度、內(nèi)部保護(hù)機(jī)制的引入、電芯邊界參數(shù)的正確定義、充分可靠的絕緣、電芯外殼的設(shè)計(jì)等。

1.2電芯生產(chǎn)質(zhì)量

對(duì)多起電池起火事故進(jìn)行失效分析后發(fā)現(xiàn),很多電池芯在生產(chǎn)過(guò)程中由于質(zhì)量管控不到位造成電芯質(zhì)量有缺陷。電芯工廠應(yīng)該建立嚴(yán)格的生產(chǎn)質(zhì)量管控體系,包括活性物質(zhì)質(zhì)量控制、涂覆均勻性和可靠性控制、隔膜質(zhì)量管控、制程工藝污染或毛刺管控、絕緣位置管控、焊接工藝管控以及全面的產(chǎn)品篩選機(jī)制等。

2.控制系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池的安全主要依賴電池管理系統(tǒng)BMS的設(shè)計(jì)。BMS設(shè)計(jì)者首先要明確電芯的安全工作邊界參數(shù),根據(jù)不同的邊界條件值來(lái)設(shè)置合適的保護(hù)參數(shù)和策略。不同的化學(xué)體系,如不同的三元材料或者磷酸鐵鋰電池,其邊界條件都是不同的,需用相應(yīng)的性能和安全測(cè)試來(lái)明確其邊界條件。在保護(hù)機(jī)制上,需要充分考慮短路保護(hù)、充放電的電壓、電流、溫度范圍等保護(hù)。BMS保護(hù)必須可靠,達(dá)到整車對(duì)電池的功能安全的要求等級(jí)。

此外,鋰電池在使用過(guò)程中存在老化現(xiàn)象,隨著電池的老化,電池的安全工作邊界條件也會(huì)收縮變化,而BMS的保護(hù)是否隨之調(diào)整,這些都是在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的。

3.電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)

在電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)上,可以從電氣連接可靠性、外殼機(jī)械強(qiáng)度、電芯遠(yuǎn)離熱源、選用阻燃材料、增加泄氣設(shè)計(jì)、合理配置熱控制系統(tǒng)等方面來(lái)考慮。

其中,電氣連接可靠性是非常關(guān)鍵的一點(diǎn),市場(chǎng)上的整車起火案例或是其他動(dòng)力電池產(chǎn)品的起火案例,很多和電氣連接松脫有關(guān)。由于在使用過(guò)程中,電池產(chǎn)品會(huì)不斷受到振動(dòng)或者沖擊,不可靠的電氣連接部分會(huì)逐漸松脫,造成連接阻抗明顯增大,電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生大量熱量,熱量傳導(dǎo)給電池,最終造成電池或者整個(gè)產(chǎn)品的起火。

關(guān)于整包的熱擴(kuò)散抑制,樂(lè)艷飛表示,應(yīng)該從電芯、模塊到整包三個(gè)層面來(lái)考慮。在電芯層面,電芯足夠安全才能防止電芯發(fā)生熱失控。然而,整車電池包中所用電芯數(shù)量眾多,還是有機(jī)率個(gè)別電芯會(huì)發(fā)生熱失控,這時(shí)候就要抑制電芯到電芯之間的熱擴(kuò)散,以及模塊到模塊之間的熱擴(kuò)散,可以考慮合適的阻燃材料來(lái)減少或隔離電芯之間的熱傳導(dǎo),通過(guò)合適的物理距離來(lái)降低模塊之間的熱傳導(dǎo)和熱輻射,并通過(guò)合適的系統(tǒng)冷卻裝置來(lái)及時(shí)將熱量疏導(dǎo)到產(chǎn)品外部。最后,也要考慮到熱失控?cái)U(kuò)散到整包層面的機(jī)率,在整包層面加入泄壓閥或防爆閥設(shè)計(jì),防止整包層面的起火或者爆炸。目前,部分廠商很關(guān)注電池包的防水問(wèn)題,對(duì)電池包的密封性要求很高,但卻在電池包的泄壓閥和防爆方面考慮得較少。對(duì)于金屬外殼的電池包,隨著內(nèi)部電池的熱擴(kuò)散失控蔓延,眾多電芯釋放的壓力在電池內(nèi)部不斷累積,當(dāng)內(nèi)部壓力過(guò)大時(shí)而沒(méi)有泄壓口,就會(huì)造成整個(gè)電池包的爆炸和轟燃,危險(xiǎn)程度巨大。

二、電池失效分析策略

電池產(chǎn)品一旦失效后應(yīng)怎么分析呢?樂(lè)艷飛說(shuō)到,當(dāng)車輛燒毀后,可調(diào)查的東西很少,應(yīng)盡可能收集可能的產(chǎn)品的信息和失效因素,如產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造工藝、使用環(huán)境等。

通過(guò)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析,建立產(chǎn)品失效的基本假設(shè)。然后根據(jù)這個(gè)一假設(shè)條件,進(jìn)行一些列的模擬測(cè)試,包括性能和安全濫用測(cè)試,以期來(lái)復(fù)制電池失效。如測(cè)試結(jié)果與假設(shè)不符,則調(diào)整假設(shè);如與假設(shè)相符的話,則得到相應(yīng)的結(jié)論。

最后,樂(lè)艷飛介紹到,UL致力于電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品安全評(píng)估。在新能源領(lǐng)域,UL開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋動(dòng)力電池、充電樁、充電器、車載充電器、梯次利用等標(biāo)準(zhǔn)。除此之外,UL還提供電池安全培訓(xùn)、性能及濫用測(cè)試、功能安全評(píng)估、電池安全認(rèn)證以及電池產(chǎn)品安全失效分析等服務(wù)。

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