车载动力电池安全技术措施研究

电动汽车资源网 雷洪钧

车载动力电池

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安全是红线,质量是底线。没有安全,就不用讨论质量的好坏了。好质量的产品,安全性一定是高的。但是安全性高的产品,不一定是高质量的产品。车载动力电池安全是当前的一个热门话题,有关新能源汽车发展的高峰论坛必有电池安全的题目。但是讨论后,给外行人的总体印象是,目前中国电动汽车是不安全的,与讨论的初衷是相反的,于是出现了,网上有人发文“中国电动汽车是垃圾”。好在这些讨论的实际意义主要是正面的,并没有导致电动汽车市场的恐慌。笔者对这些讨论进行梳理,走访了一些动力电池厂家,对我国车载动力电池安全技术及安全措施进行了研究,有了一定的体会,供大家参考。

一、电芯安全失效模式分析及技术保障措施

1.电芯内部正负极短路,生产设备保障能力是关键

(1)直接原因:电芯生产过程中有缺陷导致或因为长期振动外力使电芯变形所致。

(2)失效分析:生产过程中电芯内部正负极短路缺陷的剔除,是由生产线有关设备来保证的,如果设备保证不了,会出现批量产品质量问题。这对电池生产厂家而言是基本要求。我国已经对动力电池厂家实施了目录管理,基本可以保证合规的电池厂家不会出现批量产品质量问题。

(3)安全技术措施:将不合格的(电芯内部正负极短路)电芯筛选出来,其目标值是大于99.999%的。

(4)危险度:一旦发生严重内短路,无法阻止控制,外部保险不起作用,肯定会发生冒烟或燃烧。但是在电池生产厂家有充足保障能力下,发生的概率是很低的,即使发生了,整车生产厂家,自动灭火装置一定要发挥保障作用的。

2.电池单体漏液,执行工艺纪律到位是关键

(1)直接原因:外力损伤;碰撞、安装不规范造成密封结构被破坏;焊接缺陷、封合胶量不足造成密封性能不好等。

(2)失效分析:与软包和塑壳电芯相比,金属壳单体更容易发生漏液情况,导致绝缘失效。电池漏液后整个电池包的绝缘失效,单点绝缘失效问题不大,如果有两点或以上绝缘失效会发生外短路。

(3)安全技术措施:严格工艺纪律,提高生产自动化水平。

(4)危险度:非常危险;电池漏液造成车着火事故的概率比电芯内部正负极短路概率要大几个数量级,这种外短路,外部保险要发挥作用的。

3.电芯胀气鼓胀,生产现场环境(空气)指标达标是关键

(1)直接原因:主要是因为电池内部发生副反应产生气体,最为典型的是与水发生副反应。

(2)失效分析:生产线环境偏离规定要求。

(3)安全技术措施:在电芯生产过程严格控制水分,即可避免。

(4)危险度:一旦发生电池胀气就会发生漏液等情况。这是产品生产质量中较为严重的质量问题,制定预防措施即可,同时严禁不合格的产品出厂。

4.容量一致性差,自动化生产线是关键

(1)直接原因:电池生产制造工艺技术能力不足,电池的存放时间长短,电池组充放电期间的的温度差异,充放电电流大小等。

(2)失效分析:一致性有具体技术指标,一旦低于指标规定,表明生产线质量保障体系问题严重,必须要进行改进措施,提高产品容量一致性是一个持续提高的过程。

(3)安全技术措施:加强过程管理、评审的措施,持续提高企业质量管理体系的能力。

(4)危险度:危险不会立刻发生。容量一致性差,厂家要及时进行质量改进,同时严禁不合格的产品出厂。

二、电池管理系统(BMS)安全失效模式分析及技术保障措施

1.电压检测线失效及措施

(1)现象:电池过充,导致着火、爆炸;磷酸铁锂过充至5V以上大部分会冒烟,而三元电池一旦过充,会发生爆炸。

(2)原因:BMS电压(连接、压线过程或接触不良)电压检测线失效,导致电池过充电或过放电,充电或过放电造成。

a)电解液分解释放出气体,从而导致电池鼓胀,严重的话甚至会冒烟起火;

b)电池过放电会导致电池正极材料分子结构损坏,从而导致充不进去电;

c)电池电压过低造成电解液分解,干涸发生析锂,引起电池内短路。

(3)措施:技术上选用高可靠性电压采集线,杜绝采集线接触不到位;管理上制定充电措施制度,责任落实到人。

2.电流检测失效及措施

(1)现象:BMS采集不到电流,SOC无法计算,偏差大。

(2)原因:霍尔传感器失效,充电电流大,电芯内部发热大,会使隔膜固化容量衰减。

(3)措施:选用高质量的霍尔传感器,确保安装质量合格。

3.温度检测失效及措施

(1)现象:电池工作使用温度过高,易发生鼓胀、漏液,爆炸。

(2)原因:温度检测失效。

(3)措施:严格控制电池的工作温度在20-45摄氏度之间,避免电池低温充电析锂造成的短路以及高温热失控。

4.绝缘监测失效及措施

(1)现象:可能发生人员触电。

(2)原因:动力电池发生变形或漏液的情况下都会发生绝缘失效。

(3)措施:对监测的传感器,必须要选用高质量、高可靠的产品。

5.其他失效及措施

(1)SOC估算偏差大,目前的检验标准要求都是5%以内,实际上难度较大。要持续提高精度。

(2)电磁兼容的抗电磁干扰能力不足,导致BMS通讯失效,如何保障到位,还有一定难度。产品同时要通过第三方强制检测。

三、电池包(Pack)集成失效,导致安全事故的危害分析及措施

1.汇流排连接失效

(1)现象:导体连接处产生大量的热,极端情况下会导致动力电池着火。

(2)原因:螺栓连接在使用过程中,螺栓氧化脱落或振动导致螺栓松。

(3)措施:电芯与电芯连接或模块与模块连接处采用激光焊接,或在连接处增加温度传感器通过检测的手段避免汇流排的失效。新的连接技术不断涌现,厂家要积极采用。

2.动力电池系统主回路连接器失效

(1)现象:连接器性能不可靠,在振动下发生虚接,产生高温烧蚀连接器。

(2)原因:连接器温度超过90度就会发生连接失效。

(3)措施:连接器需要增加高压互锁功能,或在连接器附进加温度传感器。连接器一定才采用高质量的产品。

3、其他失效:

接触器带载断开有一定次数的限定,在大电流带载闭合时会烧蚀,主要措施:一般采用双继电器,按先后顺序闭合控制,以免高压接触器粘黏;高压系统部件中熔断器的选型匹配不到位,振动或外部受到碰撞挤压导致动力电池发生形变,密封失效,IP等级降低,主要措施:电池箱结构的碰撞防护一定要到位。

四、中国动力电池安全技术已经成熟

目前大家对中国动力电池安全技术的讨论,十分踊跃。主要是从不安全角度在分析,提出了许多提高安全技术水准的办法和措施。工信部提出了客车上暂时不同意”三元”电池上客车规定,也是有道理的,主要是客车的安全性要求是最高的。从一个侧面,说明中国对动力电池技术研究是成熟的。随着我国新能源汽车发展,新的动力电池安全技术不断出现也是必然趋势。

动力电池厂家和整车厂及用户三者要携起手来,通过不断改进工艺和技术提高锂电池电芯的安全性。BMS系统厂商要充分了解电池的性能,基于动力电池的安全设计原则,设计出安全可靠的电池系统;整车厂要发挥自己引领地位和桥梁作用,将车载动力电池安全技术措施落到实处,主要有动力电池系统的安装结构、电气、电池热管理、极端安全事故发生时及时补救技术的应用等一系列工作要做,为用户提供安全可靠、高质量的纯电动汽车;用户也必须正确的、安全地使用(维护)好纯电动汽车,一定要杜绝滥用(机械的、热的、电的))的行为发生,确保我国纯电动汽车健康持续的发展。

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