電動汽車用動力鋰離子電池系統(tǒng)安全性設計

電動汽車用動力鋰離子電池系統(tǒng)安全性設計擬稿：張建華2014、7、31目錄序言鋰離子電芯安全特性幾種鋰離子電芯安全特性分析由鋰離子電芯組成的電池PACK的安全性特性分析鋰離子電池PACK安全性設計結(jié)論序言特斯拉電動汽車六次碰觸起火事件7月4日，在一起離奇的盜竊事件中，特斯拉意外成為了主角。一名身份未明的男子7月4日早間盜竊ModelS汽車后，引發(fā)警方的高速追逐。該男子隨后在西好萊塢撞上多輛汽車，并在撞擊路燈后解體成兩半，引發(fā)電池著火。7月7日，特斯拉表示，該公司將調(diào)查在高速追逐中因碰撞而解體成兩半，并著火的ModelS汽車殘骸。從2013年下半年開始，特斯拉已經(jīng)發(fā)生了六起起火事件。其中兩起是行駛中車輛自燃，兩起是碰撞起火，原因是車主駛過路面上的殘骸致使電池箱被刺穿后起火，有一起在充電時發(fā)生，還有一起原因不明。1）11月6日，據(jù)海外網(wǎng)站報道，一輛特斯拉ModelS電動車在美國田納西州納什維爾附近再度遭遇起火事故，車頭幾乎全部燒毀。2）10月1日，一輛ModelS撞上了路中的金屬殘片引發(fā)事故著火燃燒,車輛前部的一塊電池包起火。3）10月18日中旬，在墨西哥，一輛高速行駛特斯拉ModelS撞到了一堵混凝土墻，緊接著又撞上了一棵大樹，隨后起火燃燒。結(jié)論：汽車底盤在受到猛烈沖擊變形后會產(chǎn)生著火事故；底盤受到猛烈沖擊類似于擠壓和針刺的綜合測試。比亞迪e6著火事件2012年5月26日凌晨3時08分，\t"/news/201206/_blank"深圳濱海大道西行僑城東路段發(fā)生的一起重大交通事故，讓電動汽車的安全問題成為了全世界關注的焦點。當時，一男子載三女駕駛一輛紅色\t"/news/201206/_blank"日產(chǎn)GT-R\t"/news/201206/_blank"跑車，高速撞上兩輛同方向行駛的出租車。其中一輛\t"/news/201206/_blank"比亞迪E6電動出租車起火燃燒，一名男性出租車司機連同兩名女性乘客被困火中當場死亡。涉及各領域的13名知名專家，包括電動汽車整車及動力系統(tǒng)、部件安全、結(jié)構(gòu)安全、汽車\t"/20120813/_blank"碰撞、電子電氣安全、動力電池、\t"/20120813/_blank"汽車交通\t"/20120813/_blank"事故鑒定、火災調(diào)查、材料燃燒特性等專業(yè)領域。專家分別來自中國汽車技術(shù)研究中心、\t"/20120813/_blank"交通運輸部、科學研究院、公安部\t"/20120813/_blank"天津消防研究所、廣東省消防總隊、北方車輛研究所、S\t"/20120813/_blank"MG等，進行為期70天的調(diào)查。專家組得到的結(jié)論是：電池沒爆炸，著火起因是e6受到兩次嚴重\t"/20120813/_blank"碰撞，車身后部及電池托盤嚴重變形、動力電池組和高壓配電箱受到嚴重擠壓，導致部分動力電池破損短路、高壓配電箱內(nèi)的高壓線路與車體之間形成短路，產(chǎn)生電弧，引燃內(nèi)飾材料及部分動力電池等可燃物質(zhì)。e6的動力電池系統(tǒng)在整車上的安裝布局、絕緣防護及高壓系統(tǒng)等方面設計合理，“整車安全未見設計缺陷”。結(jié)論：汽車底盤在受到猛烈沖擊變形后會產(chǎn)生著火事故；底盤受到猛烈沖擊類似于擠壓和針刺的綜合測試。鋰離子電池在新能源汽車應用上必需考慮的四個安全層面：電芯自身安全性問題；電池模組安全性問題；電池PACK安全性問題；使用過程的安全性問題；鋰離子電芯安全性特征鋰離子電芯分類1）圓柱形；2）鋼殼方形及塑殼方形；3）液態(tài)軟包；鋰離子電芯材料安全特性分析正極材料、負極材料、電解液和隔膜是鋰離子電芯必不可少的四個組成部分，對鋰離子電芯的安全性起到?jīng)Q定性作用。鋰離子電芯內(nèi)部各化學成分是導致裝有鋰離子電池車輛起火燃燒的先決條件。正極材料對安全性的影響正極材料對動力電池安全性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：正極脫嵌的鋰離子過多，在負極表面析出形成鋰枝晶。一方面，鋰枝晶容易刺穿隔膜，造成電池內(nèi)部短路，而且金屬鋰的熔點較低，即使鋰枝晶沒有刺穿隔膜，只要溫度較高，金屬鋰就會熔融，從而將正負極短路；另一方面金屬鋰非?；顫姡瑫苯雍碗娊庖悍磻艧?，造成安全事故。正極材料與電解液發(fā)生氧化-還原反應放熱，造成熱失控。三種正極材料中錳酸鋰氧化-還原溫度為250℃左右，磷酸鐵鋰更是高達400℃，而鎳鈷錳酸鋰氧化-還原溫度只有180℃左右，具有較強的氧化性，易氧化放熱而造成熱失控。負極材料對安全性的影響負極材料的安全性通常受負極材料的熱穩(wěn)定性和負極表面固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜）熱穩(wěn)定性影響。負極表面SEI膜的熱穩(wěn)定性由負極材料和電解液共同決定，SEI膜的主要成分為有機碳酸鹽，其分解溫度約為130℃，當這層起鈍化作用的界面膜受熱分解后，高活性的含鋰負極裸露于電解液中，導致它們之間發(fā)生劇烈的氧化還原反應，放出的熱量引起電池溫度急劇上升，并引發(fā)其他可能的放熱反應，使電池進入熱失控狀態(tài)。電解液對安全性的影響電解液對動力電池安全性的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：電解液溶劑組分的高溫、高壓穩(wěn)定性決定電池整體安全性能。2）特殊功能添加劑對改善SEI膜成膜效果、控制電解液中酸和水含量有顯著作用。還可以通過阻燃添加劑和過充保護添加劑抑制熱失控和高電壓造成的安全危險。隔膜對安全性的影響大量試驗結(jié)果證實，導致正常使用條件下電池起火燃燒等安全事故的主要原因是電池內(nèi)部短路。內(nèi)部短路導致安全事故的原理是：隔膜被硬物、毛刺、鋰枝晶等刺破形成微小的通孔，正負極在通孔處發(fā)生短路，短路時產(chǎn)生的熱量使隔膜熔融收縮，短路面積逐漸擴大，積累到一定程度后，熱失控導致電池起火燃燒。幾種鋰離子電芯安全特性分析鋰離子18650電芯安全特性分析鋰離子18650電芯外表尺寸：直徑18.0mm，高度65.0mm。鋰離子18650電芯結(jié)構(gòu)特點：正極：頂部原點；負極：殼體；塑料膜：每個18650電芯都帶一個包裝塑料膜，起絕緣作用；鋰離子18650電芯安全特點：電解液：屬于有機可燃物，在一定溫度下會燃燒，引起火災；在電解液泄漏時，見火即著；隔膜：在一定溫度（大于160度）下會收縮，造成正負極短路，引起火災；外殼體：鋼殼，做為負極使用；當多節(jié)串聯(lián)使用時，遇到碰撞，可引起殼體短路，引起火災；在劇烈碰撞下，電解液泄漏遇明火會燃燒。鋰離子鋼殼電芯安全特性分析特點：正極，負極與殼體有電壓差，殼體具有第三極性；在充放電過程中正極，負極與殼體有電壓差變化；鋰離子鋼殼電芯結(jié)構(gòu)特點：殼體：與正極，負極形成第三極性，有電壓差；外加塑料套：每個鋼殼電芯都帶一個塑料套，起絕緣作用；鋰離子鋼殼電芯安全特點：電解液：屬于有機可燃物，在一定溫度下會燃燒，引起火災；在電解液泄漏時，見火即著；隔膜：在一定溫度（大于160度）下會收縮，造成正負極短路，引起火災；外殼體為鋼殼，鋼殼表面帶第三級性：在充放電過程中，正負極與鋼殼有電壓差，壓差，充電過程的電壓差與放電的電壓差電壓值有所不同；電壓差的產(chǎn)生是通過電解液作為導體傳輸?shù)秸摌O耳上；當多節(jié)串聯(lián)使用時，在劇烈碰撞下，殼體可能會短路引起火災；電解液泄漏遇明火會燃燒。鋰離子塑殼電芯安全特性分析鋰離子塑殼電芯安全特點：電解液：屬于有機可燃物，在一定溫度下會燃燒，引起火災；在電解液泄漏時，見火即著；隔膜：在一定溫度（大于160度）下會收縮，造成正負極短路，引起火災；外殼體：塑殼，具有極高的絕緣性能；在劇烈碰撞下：電解液泄漏遇明火會燃燒，引起火災。鋰離子液態(tài)軟包電芯安全特性分析鋰離子液態(tài)軟包電芯安全特點：電解液：屬于有機可燃物，在一定溫度下會燃燒，引起火災；在電解液泄漏時，見火即著；隔膜：在一定溫度（大于160度）下會收縮，造成正負極短路，引起火災；外殼體：塑料軟包，具有極高絕緣性能；在劇烈碰撞下：電解液泄漏遇明火會燃燒，引起火災。由鋰離子電芯組成的電池PACK安全特性分析由約7000只鋰離子18650電芯組成的電池PACK特斯拉ModelS車底盤及電池PACK：特斯拉ModelS車底盤為鋁合金制造，鋁合金材料包括板材、擠壓件、鑄件3個種類。擠壓件應用于前后的側(cè)面防撞梁等部位，截面呈8字形。鑄件應用于后輪罩內(nèi)側(cè)等形狀復雜的部位，地板等平面部件則使用板材。

地板為雙層構(gòu)造，兩層之間配備鋰離子充電電池，特斯拉出于對成本和安全性的考慮，采用為EV專門設計且尺寸為18650的電芯，將這種電池豎起來排列，電池組的厚度也只有65mm，非常之薄。從某種意義上說使用鋰離子18650電芯的特斯拉電動汽車的電池PACK在正常運行過程中是安全的，保護也是完備的；但是在行駛過程中遇到地盤碰撞這樣的異常情況下，所有的電氣防護均失效；著火是必然的。著火原因分析：18650電芯自身問題：外殼體是鋼殼，并做為負極使用；當多節(jié)串聯(lián)使用時，由于外部碰撞可造成多節(jié)串聯(lián)電池短路，在上百安培電流可使所有連接片溶化并著火燃燒。電池箱在多點碰觸擠壓穿刺后的高電壓短路可引起火災；該車的底盤基本為鋁合金制造，鋁合金材料包括板材、擠壓件、鑄件3個種類。在底盤碰撞后，金屬部分會以短路導體形式將多節(jié)電池短路，引起火災。此為特斯拉電動車碰撞著火的根源所在。18650電芯3節(jié)串聯(lián)框圖故障分析：圖三當?shù)谝还?jié)殼體與第三節(jié)殼體短路時，導通電流如下：I=(B1+B2)/(Br1+Br2+Lr1l-+Lr23)=(3.6V+3.6V)/(5mr+5mr+1mr+1mr)=7.2V/12mr=600A；如此大的電流會瞬間燒毀連接線，連接片。18650電芯10節(jié)串聯(lián)框圖故障分析：短路電流計算：當?shù)谝还?jié)殼體與第十節(jié)殼體短路時，導通電流如下：I=(B1+B2+---+B9)/(BTr1+BTr2+---+BTr9+Lr1l-+Lr12+---+Lr89)=(3.6V*9)/(5mr*9+1mr+1mr*9)=32.4/55mr=589A；如此大的電流會瞬間燒毀連接線，連接片。由96只鋰離子3.2V/200AH電芯組成的電池PACK原理框圖參考3節(jié)及10節(jié)短路情況，短路電流大于1000A，故如此大的電流會瞬間燒毀連接線，連接片。鋰離子電池PACK安全性設計電池PACK安全性設計可從空間三層次和時間兩階段著手動力電池安全性設計的空間三層次從電芯層考慮安全性電芯本征安全性電解液為有機體，易燃物；措施：防止電解液外泄漏，與電火花隔離；隔膜對溫度比較敏感，超過160度即可能使正負極短路；措施：電池溫度控制，對電池進行熱管理；電池溫度控制在0-45度之間。鋰離子在遇到水汽時會即刻著火；措施：采用封閉措施，或注入惰性氣體與水汽隔離；充放電安全性要求電芯過充或過放會引起火災；措施：在充放電過程中進行嚴格充放電管理。BMS要可靠的發(fā)揮管控作用。從電池模塊層考慮安全性從五個方面考慮：電氣性能：充放電的安全性設計；安全絕緣：爬電絕緣距離的安全性設計；電芯串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的安全性設計；溫度控制：對電芯模組溫度一致性設計和熱失控設計；在結(jié)構(gòu)上考慮熱失控的安全性設計；IP防護等級：滿足整車要求的IP防護等級設計；異常碰撞：碰撞后的殼體防短路設計，絕緣防護層設計。從電池PACK系統(tǒng)層考慮安全性常規(guī)安全性設計包括：電氣性能安全設計；安全絕緣設計；溫度控制設計；IP防護等級設計。重點設計：異常碰撞安全設計：考慮四個方位：前碰、后碰、側(cè)碰（左右側(cè)）、底盤碰；重點：底盤碰撞設計，細節(jié)包括：電池PACK的碰撞絕緣設計，電池PACK殼體的非金屬化設計，碰撞結(jié)構(gòu)強度設計等。動力電池PACK系統(tǒng)安全性設計的兩個環(huán)節(jié)正常過程安全性設計三個方面：靜態(tài)過程安全設計；行駛過程安全設計；充電過程安全設計。六個關鍵內(nèi)容：靜態(tài)安全性設計；充電安全性