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守护新能源汽车安全,电池安全防控谁家更“牛”?

时间:  2020-05-12 16:33   来源:  汽车总站网原创    作者:  编辑部

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2020年4月16日,工信部发布的《2020年新能源汽车标准化工作要点》指出,为保障新能源汽车健康发展,对动力电池领域开展满足不同需求的动力电池安全试验方法标准的预研,加快动力电池电性能和循环寿命相关标准的立项。可见,国家正在把建立动力电池的安全标准作为保障未来新能源汽车健康发展的重点来抓,动力电池市场将迎来新的发展机遇。

就目前情况看,由动力电池热失控引发的新能源汽车安全问题一直困扰着行业。刚过去的2019年,用户对新能源汽车安全问题的投诉率较高(见图1):

守护新能源汽车安全,电池安全防控谁家更“牛”?
图1

守护新能源汽车安全,电池安全防控谁家更“牛”?
图2

图2表明,2019年新能源汽车用户投诉量是近年最高的。另据不完全统计,2018年中国新能源汽车自燃事故至少发生40起。2019年中国新能源汽车共召回3.37万辆,因存在自燃隐患而被召回的车辆达到6520辆,占总召回数的19.3%,说明目前新能源汽车的安全性能不容乐观。专家认为,电动汽车安全问题主要是由电池的热失控或热失控蔓延导致的。

一、电池热失控及原因简析

根据标准《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》里的定义,热失控是电池单体放热连锁反应引起的电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。

新能源汽车的动力电池系统由电池模组、电池管理系统BMS、热管理系统以及一些电气和机械系统等构成。

整车厂、动力电池系统厂商在设计生产电池系统时,要考虑多重因素。

毫无疑问,能量密度越高,电池热稳定性就越低。因此,为了能用好这些高能量密度的电池,安全性必须得到重视,最主要的就是防范热失控。动力锂离子电池在过充放电、针刺、碰撞情况下,都有可能引起连锁放热反应,造成热失控,形成冒烟、失火甚至爆炸等。

除了以上这些极端情形,常规情况下电池也会产生热量,散热设计不好也可能导致热失控。

单个电池(即电芯)由于其自身有一定的内阻,在充放电的同时,就会产生一定的热量,使得自身温度变高。当自身温度超出其正常工作温度范围时,电池的性能和寿命会受到影响。

除了电芯自身产生的热量,还有来自环境——也就是电芯所在的动力电池系统的热量。

系统在不同的应用工况下,也会产生大量的热,聚集在狭小的电池箱体内。热量如果不能够及时散出也会影响系统内的电池寿命,甚至出现热失控,导致电芯起火爆炸等。

锂离子动力电池在发生热失控中,随着温度不断升高将会依次经历高温容量衰减→SEI 膜分解→负极-电解液反应→隔膜熔化过程→正极分解反应→电解质溶液分解反应→负极与粘接剂反应→电解液燃烧等过程。

守护新能源汽车安全,电池安全防控谁家更“牛”?
(图片来源:烟台创为新能源)

二、电池热失控的控制措施简析

当前,国内在电池安全涉及热失控方面的标准,包括《电动汽车安全要求》、《电动客车安全要求》和《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》。其中,《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》引言部分就强调了在确定电动汽车用锂离子电池单体、电池包或系统采用何种设计方案时,需遵守以下的优先次序:首先,如有可能优先选择安全性高的材料,尽量避免使用容易出现绝缘失效、热失控或燃烧起火的材料;其次,如果无法实行以上原则就需制定保护措施,减少或消除危险发生的可能。标准里也明确规定锂离子电池单体和电池系统在按照规定的测试方法进行过充放电、短路、加热、温度循环和挤压试验时,应不起火、不爆炸。

标准要求锂离子电池包或系统制造商可选择以下两种方式之一进行电池包或系统热扩散分析或验证。按照附录完成热扩散乘员保护分析和验证或者参照附录完成热扩散试验。在热扩散乘员保护分析与验证报告规范里规定,锂离子电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散,进而导致乘员舱发生危险之前5分钟,应提供一个预先警告信号(服务于整车热事故报警),提醒乘员疏散。如果热扩散不会产生导致车辆乘员危险的情况,则认为该要求得到满足。

目前业界控制锂离子电池热失控主要有以下措施:

(一)液冷方案

1、在单体电芯材料层面做改进。比如对正负极材料进行包覆处理,电解液添加阻燃剂,或者往固态电池方向发展等。现重点简述国内外一些公司在控制电池热失控方面做法。

首先看对电芯的热管理。如特斯拉以蛇形管贴敷导热材料,围绕圆柱电池形成液冷系统。冷却剂由50%的水和50%的乙二醇混合而成,温差能够控制在±2%以内。

国内动力电池老大宁德时代,则在电芯之间放置气凝胶。气凝胶兼具高效的隔热性能和超薄的厚度,可在极其有限空间中进行保温隔热,且一定的厚度可以对热失控有较好的延缓作用。包括上汽时代也有同样的方案。

而通用汽车,类似于特斯拉和宁德时代的结合。他们在电芯之间放置冷却片和泡棉,使得冷却片的散热和泡棉的隔热作用同时实现。但在现有的研究范围内,泡棉主要用提高电芯的循环使用寿命,而不是热失控的延缓。

2、系统级的防护。比如以快充为特点的微宏动力,采用浸泡式冷却方法。他们给系统注入硅油,实现一定的冷却性和均热性,另外硅油本身绝缘又隔绝氧气,使得电池系统具备很好的安全性。但有两个劣势,一是重量,二是有产生硅油漏液的风险。

3、最早常用的灌封胶也可以看做是一种浸泡式方案。这一方案在能量密度方面没有优势,因此在补贴政策鼓励能量密度的背景下失去了市场。在补贴退出之后,灌封胶方案能否赢回一点市场,尚待观察。

4、老牌动力电池企业比亚迪,采用液冷板方案,能保证电池工作在正常的温度范围内。冷却板可以用钎焊、搅拌摩擦焊、埋管等几种方式。但是在外部撞击和长期振动使用环境下,如何保证不漏液也是需要考虑的。

以上几种都可以说采用液冷方案,需要将箱体隔热考虑进去,意义在于:一是保持系统内部温度,有利于低温充放电,延长使用寿命;二是降低高温路面热辐射对系统内部温度的影响;三是外部出现火烧或者高温时,保持电池包内正常温度,延缓电池热失控,提高安全性。

(二)比亚迪最新的“刀片电池”方案

比亚迪发布的“刀片电池”采用的是一种全新结构的“超级磷酸铁锂电池”,通过去掉电池模组进行创新包封装技术,具有长寿命和长续航的优点,内部短路的几率几乎为零,当然对电池热失控也能较好的控制和防范,据说暂时不用于商用车。

(三)热失控探测及自动灭火技术方案

给新能源汽车及电池企业提供动力电池热失控预警及自动灭火的有资质企业,国内有为数不多,目前主要有烟台创为、中汽客、上海联界。

创为专有技术“锂离子电池热失控模型”为纵向、横向、垂向三维,纵向为多传感器的数据冗合,即对多组同环境下的传感器数据进行多次拟合,模拟不同材料、不同环境的数据表征曲线,可靠准确的判断火情阶段;横向为对传感器的历史数据进行连续时间算法,排除噪声干扰,有效解决了传统的阈值法监测方式的漏报、误报、预警滞后问题,实现早期可靠预警;垂向采用穿刺、钝针挤压等不同方法模拟不同类型不同容量动力电池热失控过程。通过三维融合,最终形成基于锂离子电池热失控模型的火情预警系统,实现动力电池火灾早期预警和智能控制。

守护新能源汽车安全,电池安全防控谁家更“牛”?

作为动力电池热失控技术研究的领导者和行业引领者,创为电池箱火灾防控装置系统已有大量成功预警案例,产品广泛应用于多家知名客车主机厂、电池厂、储能站上,市场占有率遥遥领先。

(四)夏季预防电动汽车自燃提示

夏季即将到来,动力电池更容易在高温下发生热失控导致车辆自燃。因此,必须从以下几方面注意预防:

1、对电池定期保养,检查电池完好性;

2、车辆使用或停放过程中,尽可能避免电池进水,遇积水路段尽量绕行,一旦发生电池进水的情况应第一时间切断电源;

3、电池充电时,严格按照电池使用说明充电;

4、保持充电桩周围干燥整洁,严禁存放易燃易爆物品;

5、车辆应停放在干燥、阴凉处,尽可能避免长时间阳光曝晒;

6、避免长时间驾驶,长时间驾驶会导致电池负荷增大。如果需要长途驾驶,建议中途多在服务区休息一下,一来舒缓驾驶人的疲劳,二来也好让电池降温。
 

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