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嘉峪檢測網(wǎng) 2020-11-02 11:51
隨著新能源汽車的廣泛應(yīng)用，新能源汽車事故頻發(fā)。尤其2019年以來，多起主流新能源汽車產(chǎn)品發(fā)生了起火事故，雖然引起事故的原因不完全相同，但基本都是由于動力電池系統(tǒng)起火引起。而在起火事故發(fā)生前，沒有任何的信號或征兆，這就導(dǎo)致事故存在極大的不可預(yù)測性，并進(jìn)一步提高了人員和財產(chǎn)損失的風(fēng)險。眾所周知，為了使得應(yīng)用于電動汽車的動力電池具備較高的安全性，國內(nèi)外均有專門的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對鋰離子電池及系統(tǒng)的安全性做出要求，分別從機(jī)械損傷、電氣損傷、環(huán)境損傷等多個方面提出了測試方法，但是由于鋰離子電池的高能量、高活性的特性，導(dǎo)致鋰離子電池在應(yīng)用中會存在結(jié)構(gòu)和性能的變化并可能最終引起電池突然的熱失控發(fā)生。電動汽車用動力電池?zé)釘U(kuò)散測試項目的主要目的就是驗證電動汽車整車或者電池系統(tǒng)應(yīng)對動力電池單體發(fā)生熱失控時能否有效保護(hù)駕乘人員安全逃生的能力，也正是隨著產(chǎn)品的推廣應(yīng)用及行業(yè)對產(chǎn)品的認(rèn)識不斷加深，才推動了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的不斷完善。
鋰離子電池的熱失控原因有很多，歸納起來包括：濫用造成電池內(nèi)短路，包括機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用及多種應(yīng)力綜合作用[1－4]。這些情況已經(jīng)在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中進(jìn)行了相關(guān)的安全性要求。除了濫用外，電池老化過程中造成的結(jié)構(gòu)損傷或者枝晶生長等，以及制造過程中的缺陷也會造成電池內(nèi)短路，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控，這部分情況目前國內(nèi)還沒有標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)進(jìn)行要求[5－6]。
正因為內(nèi)短路可能導(dǎo)致電池?zé)崾Э睾蜔釘U(kuò)散，可能對成員造成傷害，而目前對于部分內(nèi)短路的產(chǎn)生情況，并不能完全避免或者有效預(yù)防及預(yù)測，所以需要通過對電池系統(tǒng)整體應(yīng)對單體熱失控的安全防護(hù)能力提出要求，確保駕乘人員的安全。另一個方面，無論是單體電池，還是電池系統(tǒng)，比能量越來越高，而大量的測試數(shù)據(jù)顯示，隨著電池比能量的提高，在相同倍率下放電時，單位質(zhì)量的電池產(chǎn)熱量大幅提高，同時使用加熱方法觸發(fā)單體電池發(fā)生熱失控所需要的能量與電池自身能量的比值也更低[7]。
標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)介紹
目前涉及到動力電池?zé)釘U(kuò)散的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)主要包括SAE J 2464、UL 2580以及即將發(fā)布的GBXXX《電動汽車用動力蓄電池安全要求》和正在研究中的GTR No.20。其中SAE J 2464、UL 2580以及即將發(fā)布的GBXXX《電動汽車用動力蓄電池安全要求》均已經(jīng)有正式的測試要求公開發(fā)布，所以本文主要介紹在這3項標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于熱擴(kuò)散的要求。
1.1 SAE J 2464-2009
項目名稱為被動擴(kuò)散阻力測試（Passive Propagation Resistance Test）；測試對象為模塊/電池包；測試目的是該測試評估被測設(shè)備（DUT）承受單個電池?zé)崾Э厥录哪芰Γ员銦崾Э厥录粫鞑サ较噜忞姵?。建議DUT制造商首先在模塊級執(zhí)行這些測試。
測試方法如下：樣品處于100%荷電狀態(tài)（SOC），在55 ℃或者樣品最高允許工作溫度條件下進(jìn)行測試。要求5 min內(nèi)將樣品加熱至400 ℃或樣品發(fā)生熱失控，可以選擇其他方法觸發(fā)熱失控（觸發(fā)方法需要以報告形式詳細(xì)描述）。標(biāo)準(zhǔn)推薦進(jìn)行至少5個位置的測試以便能夠獲得試驗的普遍性。
數(shù)據(jù)記錄如下：溫度、電壓、試驗前后絕緣電阻、照片、視頻、起火、爆炸、物質(zhì)泄漏的描述等。
1.2 UL 2580
項目名稱為內(nèi)部火燒測試（Internal fire exposure test）；測試目的為儲能系統(tǒng)應(yīng)具備阻止由于一個單體電池失效而引起的起火或者爆炸事故；測試條件為滿電狀態(tài)的儲能系統(tǒng)進(jìn)行SAEJ 2464中的被動擴(kuò)散阻力測試（Passive Propagation Resistance Test）測試。在一定的條件下可以使用一個或多個模組進(jìn)行測試。
1.3 GBXXXX 熱擴(kuò)散測試
項目名稱為熱擴(kuò)散；項目要求如下：電池包或系統(tǒng)在由于單個電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險之前5 min，應(yīng)提供一個熱事件報警信號（服務(wù)于整車熱事件報警，提醒乘員疏散）；如果熱擴(kuò)散不會產(chǎn)生導(dǎo)致車輛乘員危險的情況，則認(rèn)為該要求得到滿足。進(jìn)一步明確了對于人員保護(hù)的要求，明確了熱擴(kuò)散測試項目的目的和應(yīng)用場景。
由于該項目僅在標(biāo)準(zhǔn)中給出了參考的試驗方法和部分關(guān)鍵參數(shù)的建議取值，給制造商較大的空間針對各自產(chǎn)品的特點進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計、試驗驗證。同時為了能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量，制造商應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求提供“制造商定義的熱事件報警信號說明”“說明電池包或系統(tǒng)安全性技術(shù)文件”，同時在第三方檢測機(jī)構(gòu)依據(jù)制造商提供的技術(shù)文書、試驗程序進(jìn)行結(jié)果驗證的檢測報告，如表1所示。
對于熱擴(kuò)散試驗項目而言，盡管企業(yè)具有一定的空間設(shè)置試驗程序，但是試驗項目的基本流程是不能改變的。熱擴(kuò)散試驗的流程如圖1所示。
圖1 熱擴(kuò)散試驗流程
對于一款電池包，選擇其中的某個電池單體作為熱失控觸發(fā)對象，觸發(fā)電池單體發(fā)生熱失控，一般情況下電池管理系統(tǒng)會在電池?zé)崾Э匕l(fā)生的情況下發(fā)出報警信號。當(dāng)一只電池單體發(fā)生熱失控之后，由于電池的設(shè)計、電池材料體系特點等影響，電池可能會發(fā)生熱擴(kuò)散（即其他電池發(fā)生熱失控），也可能未發(fā)生熱擴(kuò)散。但是不論是哪一種情況，仍然會產(chǎn)生兩種不同的結(jié)果，電池包最終表現(xiàn)出了對人員的危險（如起火、爆炸）或者電池包未表現(xiàn)出對人員的危險。在這個測試中的關(guān)鍵參量就是從報警信號發(fā)出到發(fā)生危險的時間間隔，也就是人員的有效逃生時間。
熱擴(kuò)散測試中的關(guān)鍵點
雖然目前已經(jīng)有多個標(biāo)準(zhǔn)提出了熱擴(kuò)散試驗項目的方法和要求，但是也正是由于電池系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性和多樣性，導(dǎo)致熱擴(kuò)散試驗中存在較多的變量和不確定性，所以在GBXXX《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中才提出技術(shù)文件與試驗驗證相結(jié)合的方案，既給企業(yè)提供了足夠的空間避免干預(yù)企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計和技術(shù)的發(fā)展，同時又堅守住動力電池系統(tǒng)安全性的底線。在動力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散測試過程中，有若干個值得注意的關(guān)鍵問題，如圖2所示。
圖2 熱擴(kuò)散測試中的關(guān)鍵問題
2.1 豁免條件
雖然目前廣泛應(yīng)用于電動汽車的鋰離子電池大多存在發(fā)生熱失控的風(fēng)險，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)對安全性的關(guān)注，相信一定存在或者未來會出現(xiàn)一些特別安全的電池，此類電池不發(fā)生熱失控。那么針對這類電池，該設(shè)置何種條件進(jìn)行豁免呢？一種思路是通過對產(chǎn)品的構(gòu)成或者特征參數(shù)來進(jìn)行限定，但是這種方法并不能解決所有問題，尤其對未來新技術(shù)產(chǎn)品，具有較大的局限性；另一種思路是通過一定的測試項目來判斷電池是否具備豁免條件，該方法具有一定的普適性，且不存在技術(shù)局限性。因此企業(yè)在實際開展研發(fā)試驗工作時，應(yīng)該根據(jù)實際情況選擇合適的方法，并對產(chǎn)品安全性做出合理評估。
2.2 觸發(fā)方法的選擇
觸發(fā)方法首先應(yīng)該基于電池?zé)崾Э氐脑?，在失效原理上?yīng)該最大限度地保持一致；其實該方法還應(yīng)該具備高重復(fù)性和可操作性；再次，該方法在參數(shù)的選擇上具有較大的容錯能力，在較大的范圍內(nèi)均不會影響試驗結(jié)果。
2.3 觸發(fā)位置的選擇
從試驗驗證的目的觸發(fā)，觸發(fā)位置應(yīng)該選擇在最嚴(yán)苛的試驗條件下，以確保樣品在最嚴(yán)苛的情況下的安全性表現(xiàn)。但是在實際的測試工作中，可操作性決定了實際可選擇的范圍是有限的，這往往導(dǎo)致不能窮盡所有的方案進(jìn)行測試驗證。觸發(fā)位置的選擇難點在于如何平衡嚴(yán)苛的測試條件和試驗可操作性這兩個問題。對企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品性能驗證而言，可以通過高精度的仿真模型的搭建，結(jié)合有限的試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)各種試驗條件下安全性能的評估。
2.4 逃生時間
現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中給出的逃生時間是基于部分大巴車的試驗研究，而針對不同的車型應(yīng)用場景，針對不同的事故場景：（1）考慮不發(fā)生事故的逃生時間時，駕乘人員意識清醒且可自由活動，所需時間就會比較短；（2考慮發(fā)生交通事故的情況時，還需要考慮救援人員施救所需的時間，事故形態(tài)的多樣性就會導(dǎo)致救援時間的巨大差異。因此企業(yè)應(yīng)充分考慮產(chǎn)品定位并結(jié)合應(yīng)用場景進(jìn)行設(shè)計與驗證。
2.5 危險的定義
外部起火和爆炸一定會給人員帶來危險，但是除此之外的有毒煙氣、可燃煙氣等是否應(yīng)該考慮，如何進(jìn)行測試，設(shè)置何種條件和限值，是否會產(chǎn)生漏電及人員遭受電擊的情況等也應(yīng)該是產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點。
2.6 其他
報警信號是試驗中的關(guān)鍵節(jié)點，而如何避免誤報或者有效識別誤報的方法對于測試的有效開展至關(guān)重要。熱擴(kuò)散試驗結(jié)果的復(fù)雜性來源于試驗方法的復(fù)雜性、試驗流程長、試驗對象復(fù)雜等幾個方面，因此設(shè)置合理的試驗條件、約束試驗過程以確保試驗結(jié)果的重復(fù)性，才能夠使得企業(yè)在試驗驗證中獲得重復(fù)有效可比較的數(shù)據(jù)。
研究方向
熱擴(kuò)散測試是對電池系統(tǒng)安全設(shè)計有效性的試驗驗證，在產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)中，動力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散問題研究方向如圖3所示。
圖3 動力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散問題研究方向
（1）鋰離子電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散機(jī)理及規(guī)律研究
結(jié)合現(xiàn)有動力電池?zé)崾Э丶盁釘U(kuò)散研究中的電、熱領(lǐng)域已經(jīng)取得的研究成果，重點突破結(jié)構(gòu)變化、化學(xué)成分變化等機(jī)械、化學(xué)反應(yīng)方面的測試難題，獲取有效快速的測試方法，通過試驗數(shù)據(jù)采集和仿真分析，提取出影響動力電池?zé)釘U(kuò)散發(fā)展過程的關(guān)鍵參數(shù)和關(guān)鍵過程，并重點研究動力電池系統(tǒng)在熱擴(kuò)散發(fā)生、發(fā)展過程中關(guān)鍵參量的變化規(guī)律，建立基于電、熱、機(jī)械、化學(xué)多物理場耦合的單體熱失控及系統(tǒng)熱擴(kuò)散模型，揭示動力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律。
（2）鋰離子電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散防范應(yīng)對機(jī)制及應(yīng)用技術(shù)研究
基于單體熱失控及系統(tǒng)熱擴(kuò)散模型，從熱失控觸發(fā)誘因、熱失控發(fā)生過程的關(guān)鍵節(jié)點出發(fā)，通過電壓、電流、溫度、壓力和氣體成分等多種信號的采集和綜合分析，建立動力電池系統(tǒng)熱失控早期預(yù)警控制策略，并對相應(yīng)的控制策略進(jìn)行試驗驗證；研究熱擴(kuò)散發(fā)展過程中的關(guān)鍵節(jié)點及核心影響因素，通過試驗和仿真手段，對鋰離子電池?zé)釘U(kuò)散延緩、阻斷機(jī)制和方法進(jìn)行研究，有針對性地制定鋰離子電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散逐級主被動防范應(yīng)對機(jī)制，并通過試驗驗證隔離措施的有效性，在電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、傳熱和電連接設(shè)計等方面提供指導(dǎo)。
（3）鋰離子電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散危害及防護(hù)措施研究
明確動力電池?zé)崾Э刂聻?zāi)過程中產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)的種類和數(shù)量，建立有毒有害物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫；從熱釋放速率、總放熱量、危害物生成速率等火災(zāi)動力學(xué)特性出發(fā)，定量分析著火、爆炸和有毒煙氣等對乘員、電動汽車及周邊的危害性，進(jìn)一步研究動力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散發(fā)生后的潛在危害原理。在以上研究成果的基礎(chǔ)上，明確鋰離子電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散危害的防護(hù)要求，從熱防護(hù)、火災(zāi)防護(hù)、有毒煙氣防護(hù)等幾個方面，提出在產(chǎn)品應(yīng)用過程中的有效防護(hù)措施和建議。
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來源：《電源技術(shù)》
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