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寧德時代、比亞迪等企業(yè)的電池安全策略

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2020-12-25 19:51 ? 次閱讀

時至夏季,新能源汽車又進入起火高發(fā)期。一樁樁起火事件頻繁出現(xiàn)在媒體上、微信群里。

必須承認,這些起火事故,很多都與動力電池安全問題相關(guān)。而動力電池安全問題不解決,新能源汽車就很難大規(guī)模普及。

6月18日,中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦了“2020年動力電池安全分析與技術(shù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)會議”,邀請行業(yè)人士共同探討動力電池安全技術(shù),推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步。
會議的參加者,包括近期因針刺測試而激烈辯論的比亞迪和寧德時代,還有一些在動力電池安全上頗有探索的企業(yè)。《電動汽車觀察家》整理了寧德時代、比亞迪、華霆動力、宇量電池在提升電池安全方面的思路和舉措,為行業(yè)人士提供參考。

1、寧德時代:四途徑提升電池安全性

寧德時代三元電池和磷酸鐵鋰雙線并舉。磷酸鐵鋰電池主要應(yīng)用商用車和儲能系統(tǒng);乘用車方面則是三元和磷酸鐵鋰并舉。

寧德時代采取這個策略,主要是綜合考慮產(chǎn)品的具體用途和風險程度。 寧德時代高級工程師陳小波解釋道,因為純電動大巴因為帶電量大,人員密集,短時間疏散難度大,因此采用磷酸鐵鋰路線較為穩(wěn)妥。乘用車實際應(yīng)用中帶電量相對較小、載人少,人員疏散相對容易。而且產(chǎn)品成熟度更高,防護更好,因此可以采用三元電池路線。

陳小波認為,三元電池,一是可以滿足用戶對里程的需求;二是可以推動電池技術(shù)進步。“我們不能在磷酸鐵鋰技術(shù)路線上止步不前。”

此次研討會上,寧德時代著重強調(diào)了電池全生命周期的安全。

陳小波認為,動力電池安全是系統(tǒng)工程,對電池的安全防護應(yīng)該是全生命周期的。電池從開發(fā)設(shè)計到生產(chǎn)制造,到售后服務(wù)再到回收再生,都存在安全風險,要想辦法規(guī)避這些風險。
陳小波將提升電池安全歸為四個路徑。

一是產(chǎn)品設(shè)計層面,提高安全閾值。電池包從設(shè)計環(huán)節(jié),就要做到防水、防火、防撞、防高壓漏電,同時做到高可靠性。

二是,注重制造過程的質(zhì)量與安全管控。在電芯生產(chǎn)層面,寧德時代有超過2600個品質(zhì)與安全控制因子。

三是,注重動力電池全生命周期的安全性。陳小波認為,電池全生命周期安全的防控重點各有特點:例如早期階段,需要注意軟硬件故障,以及工藝、生產(chǎn)層面的問題;中期階段需要關(guān)注偶然性失效問題,例如電芯的膨脹、低壓連接件的老化、低壓線束老化等。

最后,加強售后維護、安全預(yù)警與產(chǎn)品的報廢處理。陳小波建議,跟進年檢制度,對電池包被磕碰、密封不良等情況進行維護。陳小波還認為,要善于利用大數(shù)據(jù),基于后臺大數(shù)據(jù)分析,對有安全預(yù)警的電池進行及時更換。此外,對超過服役期的電池,也要制定相關(guān)的報廢處理辦法。

陳小波反復提到電池的可靠性問題,尤其振動后的防水問題,以及高壓連接件的可靠性問題。他認為,這些都是在真實應(yīng)用過程中經(jīng)常會遇到的問題,值得重視。

當然,陳小波認為動力電池發(fā)展也存在一些挑戰(zhàn)。

一是輕量化與安全之間的平衡。電池安全需要高強度防碰撞設(shè)計,以及防火、耐熱材料,同時滿足又輕又安全,需要開發(fā)更新型的材料。

二是有毒、可燃性煙氣與封閉空間的問題。電芯發(fā)生熱失控,會產(chǎn)生大量毒害煙氣。需要政策或規(guī)范明確,例如規(guī)定在一定時間內(nèi)防止煙氣進入乘客艙。針對煙氣,需要開展氣體轟燃和毒性研究,以及制定有針對性的消防、緊急處理、人員疏散等措施。

2、比亞迪:打造七維四層安全矩陣

與寧德時代不同,比亞迪在思考安全問題時,采用的是對電池和失效模式進行拆解的方式。

比亞迪考慮安全問題時,將電池分為四個層次,單體電芯、模組、電池包、系統(tǒng);失效模式分為七個維度,連接可靠、高壓安全、機械安全、過充、外部過流、內(nèi)部短路和危險氣體。

比亞迪弗迪電池安全技術(shù)部副經(jīng)理林文生認為,大家一談到電池安全時,經(jīng)常說電池過充、內(nèi)短路或者高壓出問題,但這些都是零散的點。在思考電池安全時,要做到不漏過任何一個環(huán)節(jié),需要對電池安全進行系統(tǒng)化思考。

對于這些失效模式,比亞迪首先會分析這些失效模式能不能完全屏蔽掉;對于不能完全屏蔽掉的,必須要做到預(yù)警;即使完全失效,也要做到風險可控。

林文生介紹了比亞迪針對這些失效模式思考以及措施。 連接可靠性方面,失效形式主要是松動或者局部斷裂,后果就是動力中斷,或者局部發(fā)熱、拉弧甚至起火。要避免這一問題就要考慮連接設(shè)計,例如用全自動焊接取代螺紋連接,保證連接的可靠性。

如果是不可能避免,下一步的設(shè)計就是監(jiān)測預(yù)警,例如進行溫度和電壓監(jiān)測。

高壓安全方面,失效模式主要為漏電和高壓擊穿。對此,比亞迪從源頭上進行優(yōu)化設(shè)計,首先是高壓分段,維修的時候,可以通過一個主動裝置將高壓降下來。防水層面,比亞迪采用IP67的防水等級,對進水導致的漏電問題進行屏蔽。

另一個重要的是絕緣設(shè)計,要考慮例如爬電距離、電氣間隙、單體外殼絕緣、銅排/動力線絕緣設(shè)計以及線束絕緣設(shè)計等。除此之外,還要考慮如果發(fā)生其他危險,對原有的絕緣設(shè)計造成次生的安全問題,也需要考慮。當然還需要預(yù)警和監(jiān)測功能。

機械安全方面,比亞迪再細分分為結(jié)構(gòu)安全設(shè)計和電/熱安全設(shè)計。結(jié)構(gòu)安全設(shè)計方面,比亞迪考慮整車對電池包的防護,對電池包進行防撞設(shè)計,采用高強度的鋁合金托盤、蜂窩結(jié)構(gòu)的加強邊框,考慮單體耐變形能力。

電/熱安全設(shè)計方面。比亞迪考慮,當電池被機械擠壓后,也會造成出很多次生問題,例如,擠壓后電芯發(fā)生短路怎么辦?有沒有一個斷開裝置?能不能自動熔斷?有沒有防爆閥相關(guān)設(shè)計?這些都是在設(shè)計之初需要考慮周全的。

模塊方面還要考慮隔熱和絕緣設(shè)計。電池包層面則是傳感器方面的設(shè)計,例如傳感器斷電,能不能觸發(fā)觸發(fā)起斷開高壓?以及隔火隔熱的設(shè)計。

還要考慮過充問題。林文生認為,電池過充的風險已經(jīng)相對較小,因為有電池管理系統(tǒng)分級保護。“單電芯過充從設(shè)計上沒有辦法屏蔽,主要看其過充的閾值在哪里,這是由電池材料決定的。”
外部過流方面,主要依靠匹配設(shè)計來規(guī)避。例如每個負載單獨配置保險絲,高壓負載與保險絲匹配等等。

內(nèi)部短路方面,包含的范圍比較廣。比亞迪這里主要指析鋰和異物兩類,他們認為從設(shè)計上很難屏蔽,只能對生產(chǎn)環(huán)境進行控制。因為難以避免,風險防控更要做到位,需要進行風險劃分,最終達到可控的目的。

最后是危險氣體。林文生表示,電池包里危險氣體的來源非常多,例如電解液,其本身就是可燃的,分解后產(chǎn)生的一氧化碳和甲烷乙烷都是可以燃燒的。主要措施就是防爆閥與CID(電流切斷裝置)匹配、安裝氣體探測裝置、氣體泄放裝置、低壓下屬方拉弧設(shè)計以及線束耐高溫設(shè)計等。

3、華霆動力:針對電芯失效模式進行防控

作為一家電池系統(tǒng)集成商,對電芯品質(zhì)無可著手,華霆動力更為關(guān)注的是電芯失效之后的防控。華霆動力此次探討的是圓柱電芯在非濫用情況下的熱失控控制問題。

他們的思路是將電芯的失效模式都找出來,并針對每一個失效模式進行防護。用華霆動力技術(shù)有限公司董事長周鵬的話說,“如果每個失效模式都是一道傷疤的話,我們就找到一個膏藥將其蓋住,就是做一些包覆。”

華霆動力的“蜂窩電池”模組

具體來說,就是將電芯的失效模式進行量化,電芯在熱失控的情況下產(chǎn)生多少焓(編者:可初略理解為總熱能)。通過仿真方式,計算出模組內(nèi)部溫度場、流場分布,并根據(jù)這些分布特點進行防護。
電池系統(tǒng)層面,則需要做到精準監(jiān)測。事故發(fā)生后,熱管理系統(tǒng)可以做一些動作來降低熱失控傳播的概率。

此外,華霆動力還考慮車輛靜置的問題。車輛下電后,電池管理系統(tǒng)還應(yīng)具備熱失控主動監(jiān)測功能。“需要電池管理系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)實時交互,而且電流不能太大,否則車內(nèi)12V鉛酸電池很難支撐。”

周鵬認為,通過這一整套系統(tǒng),可以有效的保證整個系統(tǒng)熱失控或者是熱蔓延的概率大幅降低。

4、宇量電池:用好熱失控后的煙氣

蘇州宇量電池有限公司董事長毛煥宇也參加了會議。他主要探討,電芯熱失控之后到明火燒起來能否有5分鐘,或更長時間來逃生。 在毛煥宇看來,電芯發(fā)生熱失控之后產(chǎn)生煙氣值得重視。目前電池熱失控產(chǎn)生的煙氣都是可燃的,只要有靜電或者火花,就會發(fā)生火災(zāi)。

“一般單顆18650電芯發(fā)生熱失控,如果電芯內(nèi)容物沖出受阻就會產(chǎn)生邊裂,將導致更多電芯熱失控產(chǎn)生大量煙氣。”

但是如果煙氣不可燃的話,其存在也有好處。 毛煥宇解釋道,煙氣可以帶走90%以上的熱量,大大降低熱失控電芯本身的溫度,阻止熱失控也較為容易。電芯熱失控之后,大約40%的總質(zhì)量已經(jīng)噴射到煙氣里面去了,帶走了反應(yīng)物、產(chǎn)物以及熱量。“噴出物是所有的電解液、隔膜、粘結(jié)劑、部分石墨和鋁箔,只有一部分正極材料、銅箔及殼體留下來了。”

毛煥宇認為,不可燃的煙氣相對于火焰更容易逃生,而且臨近的物體、車輛、建筑物都不會被引燃。

宇量電池為此研發(fā)了一種化合物,具有隔熱、吸熱和滅火三大特點。該化合物可以有效改變氣體成分,將可燃的煙氣變?yōu)椴豢扇迹@樣就能給成員更多的逃生時間。

毛煥宇也透露,這種化合物的成本非常低,也極易獲取。

可以看到,寧德時代強調(diào)電池全生命周期的防護和監(jiān)控,針對各個時期可能出現(xiàn)的問題進行防護;比亞迪則是分層次對電池熱失控的原因歸類進行分析防護;華霆動力則是將電芯的失效模式進行分析,針對每種模式在系統(tǒng)層面“打補丁”進行防控;宇量電池則著重探討電芯熱失控后如何最大程度減少傷害,為乘員贏得逃跑的黃金“5分鐘”。

不同企業(yè)在提升電池安全方面各有特色,而且聽上去效果都很好。這些安全技術(shù)、策略,能否真正落實呢?

從中國新能源汽車過去十年的表現(xiàn)看,既存在“無知”的問題——對動力電池及電動汽車的安全研究不夠,防范方法缺失;又存在“知而不行”的問題,有的存僥幸心理,有的是從成本考慮,生產(chǎn)品控標準不嚴,安全防護“減配”。所以,中國才有這么多起火事件。

現(xiàn)在來看,中國動力電池產(chǎn)業(yè)界似乎解決了“無知”的問題,那現(xiàn)在我們期待的,就是大家的行動了。

審核編輯:符乾江
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