中汽研王芳：动力电池热安全评价研究

电动汽车资源网讯：

9月23日,由张家港市发展和改革委员会、张家港市科技局主办,江苏天鹏电源有限公司、电动汽车资源网承办,江苏华东锂电技术研究院协办,苏州益茂电动客车有限公司、新能源巴士联盟支持的“2016中国新能源汽车动力电池产业技术发展高峰论坛暨车企与动力电池企业技术交流会”(以下简称“动力电池交流会”)精彩继续。电动汽车资源网将全称报道此次会议。

今日下午的大会则主要围绕“动力电池安全和梯次利用”主题进行讨论,中国汽车技术研究中心电池首席专家、博士王芳女士发表了题为“动力电池热安全评价研究”的演讲。

中国汽车技术研究中心电池首席专家、博士王芳

以下是由电动汽车资源网整理的王芳博士演讲的主要内容：

今天我报告的题目是动力电池热安全评价的研究。今年有这么多的安全事故,这种情况下讨论这个更有意义。报告分三个部分,一是为什么要做这个事儿?二是热失控扩散的测试评价。

大家可以看到我们这几年的一些电动汽车的事故:

1.2008年 Prius PHEV 起火事件

事故原因：因装配设计存在缺陷(报道中称用户对电池包进行了改装),行驶中电池组某处接头松动,该处电阻增大,异常生热导致其附近温度过高,并最终引发热失控,并波及整个电池包。

2.2013年 Tesla Model S 起火事件

事故原因：汽车在高速运行中,与路面上的大型金属物体发生碰撞,底盘(电池包外壳)被刺穿,导致电池内部短路,引发热失控。

3. 2011年 雪佛兰沃蓝达PHEV 起火事件

事故原因：车辆在碰撞测试中锂电池组受损,经过翻滚试验后电池热管理系统的冷却液泄露并与电池组件接触,有导致电池内部短路的风险,并会最终引发自燃。

电动汽车起火事故的直接原因有很多种可以看到的过热、内短路、外短路碰撞等等现象,而最终的表现是整个电动汽车的热失控,其实应该叫热失控的蔓延。

锂离子动力电池热失控的发生机制:锂离子电池在正常充放电反应外,还存在许多潜在的放热副反应。当电池温度过高或充电电压过高时,容易引发。

主要的过热副反应:1.SEI膜分解导致电解液在裸露的高活性碳负极表面的还原分解;2.充电态正极的热分解;3电解质的热分解;4.粘结剂与高活性负极的反应。

看一下这个图,刚刚提到4个副反应,如果在某一个环节断裂,不发生后续的连锁反应,就不会发生大规模扩散的事故,就是我们所期望的结果。

上图是在不同温度的时候发生反应的温度范围。

锂离子动力电池热失控评价的必要性:尽管电池能够通过当前法规测试,但也不能保证电池不会发生热失控。很多我们不期望的一些状况会造成热失控的发生。第一个就是内短路,第二个是快充等这样的一些特殊的使用环境造成的热失控,第三个因为寿命的衰减,出现了一些异常反应。

热失控是不可避免的,安全是相对的,不安全是绝对的。怎么做才能够尽量地提高安全的几率,降低安全事故发生的风险呢?需要保证的是什么?安全。当热失控发生了,还要保证什么安全呢?保障的是这个时候车上的乘员的安全,乘员在电池发生热失控的状态下,能够快速地逃离到安全的区域,不发生人员伤亡,这个是我们要求的安全。

我今天提到的测试评价就是希望提一个要求:不管采用什么样的技术,电池是一个系统工程,从电芯的生产到集成可能需要很多的工作,无论想用什么样的技术手段保障,我只要求你在一个电芯事故发生的情况下让乘员有逃生的时间,发生起火等严重事故之前有足够的逃生时间。

美国一家实验室提出,热失控产生扩散是不应该发生的,希望车厂在做电芯设计的时候,将阻止电池热失控的扩散蔓延发生作为重要的目标。

各种情况导致热失控发生的时候,我们怎么去评估它?这里面就要解决的问题是怎么触发?怎么评估?怎么判断是否能够pass这个实验?所以这个是我们做这个研究的背景。

整车厂要设计一款电池,要做好热管理,关心的不单单是热失控的安全问题,还有电池本身的比热容、产热速率、产热量,不同的条件下产热量和产热速率是什么样的?这些基本的热特性是热稳定性的边界条件,也就是说电池本身的热稳定性包括它的热失控不同阶段的参数,还有生命周期的热稳定性。

电池做热失控的时候,可以看到不同阶段热稳定是什么样的状态,最关心的是有几个点:一个是当电芯刚刚开始发生热失控的点,一个是电池发生热失控的终端最高温度点,当然还有就是刚开始自产热的点。

给企业做这样的测试评价的时,状态不同的测试都会影响电池自身热的稳定性,这个是能够监测到,能够测试评价的,能够很好很直观看到的。但现在的问题是,怎么能够把内短路,像这种无法通过检测手段表达的这种热失控来测试出来?

测试评价需要触发一个热失控,触发一个热失控,可能有几种办法,包括加热、过充等等,其他的办法也有试过,目前来说这几种办法还是能够实现。如果用这几种方法不能触发电池的热失控,我们认为这个电芯是安全的是可以的,就不再进行实验,如果有一个办法让电池发生热失控了,这种情况下不管中间有什么样的过程,我们直接到最下面,到最后当最终电芯发生热失控的时候,整个系统能够维持多少分钟不起火不爆炸,这个是我们关心的,也就是说乘员是不是有足够的时间逃生。

当然这个里面关心的就是监测,就是热失控发生的条件是怎么判断的?因为热失控实验的时候不能自己走近了看,得通过相应的仪器和参数评价。让电池包可以抗几分钟的热失控蔓延?用什么样的办法最合理?第三个就是监测的点怎么判定?

我们第一个要求几分钟,这个里面其实我们最初考虑得是在之前不起火不爆炸的,但是考虑了以后又考虑了烟雾的问题,几分钟到底怎么定呢?当我们监测到一个热失控信号的时候,这个时候司机需要做出反应,他有两个时间是需要考虑的,一个就是说当热失控发生的时候,一个是汽车起动、汽车制动到停止的时间;第二个就是乘员逃生的时间,这两个时间之和是我们需要考虑的总时间,我们给电池留的起火时间必须大于这个时间。

我们做过一个实验,用电动车做了简易的实验,车上5个人都系好了安全带,在发出指令以后,迅速逃离安全区域以外所用的时间大概是平均10几秒之内,这是一个乘用车的;我们又做了商用车的实验,这个跟上海消防所一起做的,80人用了一个大巴车做了实验,实验分了几类,一个是前门开,后门开或者是前后门都开,还有就是在车里面放烟雾,同时放烟雾的情况下做实验,所以说做了各种实验以后得到的数据大概是这样的,最高的是在50几秒撤离,这个是大家非常井然有序而且知道没有任何问题,没有任何危险的情况下的结果,我们之前还做了一个实验,大概是用了一个大巴车,跑5米以外大概需要的时间是4分钟左右,人员差不多的但是人员的分布年龄结构优差异。权衡考虑几个方面,实验的结果和跟国际专家的协商,目前来说认为5分钟的时间,不起火不爆炸是给热失控扩散基本的要求。

第二个关心的问题触发的方法,我刚刚提到有三种:针刺、加热、过充,这三个方法都做了相应的研究。我们对这个模块,传递到后面电池的速度和方式都进行了详细的分析,这个实验结果拿到国际法规上讨论的时候,没有得到任何人的认可,模块不代表PACK。

去年年初开始又做了大量的电池PACK的热失控实验,一共有十几个电池的PACK实验,其中包括方形软包的,实验就涉及到一个问题,有时候为了达到这个实验的目的,对电池的样品做小小的改动,而这个改动也是会引起极多的讨论,因为改变了电池包的状态,目前状态下没有办法改变,尽可能降低改动的幅度。另外还有一个实验是通过气缸把针直接刺进去了,第二个就是过充,这个样品就是把这个PACK左上角的进行了改变,接上了一个冲放电线,对它单个的进行过充,其它的模块是不变的,我们看到最终的电池PACK,大家可以看到着火了,这个其实是小的PACK,我今天想跟大家展示的都是所有实验的过程,而且实验要求是5分钟之内不起火不爆炸就可以,所以大家看到各种不同的现象。这个也是过充的实验,但是因为我们这个电池容量非常大,所以我们在做过充的时候用了很小的,三分之一,这又引发了另外一个讨论,我们在这么长的时间内触发,跟实际的情况又偏离很多,这个也是我们要考虑的问题。我们做的过充实验,19分钟的时候吸气,20分钟的时候有冒烟,但是没有发生热扩散的现象。第三个方法就是加热,加热目前是有几种,一种是用加热的block,而我们用加热的膜,当然还有加热泵缠在膜上进行实验,对于方形和软包的我们做的更多的是用加热膜的做,对于圆柱的电池更多是用加热泵缠起来做实验,加热的方法是目前相对接受度比较高的实验,大家可以看到SAEJ2464里面已经有推荐的方法。

我们做的用加热膜给电池加热触发的实验,这个是整个实验的操作的过程,一个流程,这个流程是可以跟大家分享的,因为咱们电动客车的安全也正在做,里面也要求对电池的单体的热���"q�