作为新能源电动汽车的核心零部件,电池安全尤为重要,电池失火以及热失控蔓延将会严重影响乘车人的安全。因此,降低电池起火风险以及电池包热失控阻隔防护,在新能源汽车安全中尤为重要。

为了提高电池系统的安全性能,企业和高校纷纷在电池包热失控防护方面做了大量的研究,并提出多种阻隔防护措施。张少禹等人以NCM811型电池为研究载体,通过试验的方法对比了不同阻隔材料、阻隔厚度及阻隔层数对热失控阻隔效果的影响;ChenJie等人针对冷却与热失控一体化的阻隔方案,确定了一种阻隔方案同时满足热失控蔓延和电池模组冷却;刘蒙蒙针对电池热失控分别从单体电芯、模组和Pack层面分别研究其失效机理,以及防护措施;高飞等人通过实验验证了三元乙丙橡胶在电池热失控中的阻隔作用;邹振耀等人通过对热失控总结研究,认为增加额外阻隔方案是控制热失控扩展的重要方向,同时多种阻燃材料被进行研究总结。

本文通过试验方法对比研究了电池包内部多种热失控阻隔方案。根据试验结果,对比研究了电池包内部阻隔位置、阻隔材料对热失控蔓延时间的影响,并分析了电池包内部高压器件在热失控过程中,与周边金属件的短接是影响热失控的重要因素。这对电池热失控防护设计具有重要参考价值。

电池包热失控试验分析

电池包热失控发生机理

如表1所示,导致动力电池热失控的主要触发机理为:机械滥用、电滥用和热滥用,本文试验选用热滥用触发机理。

热失控温度检测点
热失控温度检测点

试验设置

机械滥用隔膜破坏引发短路
电滥用过冲、过放使局部温度过高;外短路导致温度过高
热滥用隔膜收缩、溃塌导致内短路
表1热失控失效机理

热失控触发方式采用加热平板(400W、220V)贴在电池包内某个电芯表面,恒定功率加热。当电池温升速率超过1℃/s,持续3s,并且电池温度超过其工作使用温度,此为热失控开始时刻ts,并记录热失控开始时刻;电池包有明火泄出超过5s,记录此时时间tw;热失控防护保持时间为tb,其计算公式如下:

tb=tw-ts

温度检测

电池包内部根据实验需求布置阻隔材料。同时,电池包内部不同位置需要进行温度采集,用于触发依据和结果分析。温度采集选用K型热电偶,其温度采集布置如图1所示。其中,tc检测电芯表面温度,ts检测防护材料近电芯侧温度,tf检测防护材料与电池壳体间的温度。

电池包热失控试验结果

阻隔方案设计

本文研究对象为51Ah高镍锂离子方形电芯电池包,根据防护材料、防护位置不同,防护方案分别见表2。

防护材料防护位置
方案一无防护无防护
方案二预氧丝毛毡(高温导电)电池包壳体内壁面
方案三陶瓷橡胶(高温绝缘)电池包壳体内壁面
方案四陶瓷橡胶(高温绝缘)高压连接件
表2阻隔试验方案

方案一未做任何防护,用于跟其他3种防护阻隔效果对比,所选用的两种材料耐高温均超过1000℃,导热系数均小于0.05W/(m·K)。其中,方案二和方案三在电池包内防护位置如图1所示。其中,1为模组;2为防火材料,对应表2中方案二的预氧丝毛毡和方案三的陶瓷橡胶;3为电池包上壳体;4为高压连接件铜排,铜排的作用是串联电池模组以及整车高压连接件。方案四为高压连接件铜排外部包覆陶瓷橡胶,其包覆以后的实物如图2 所示。

图 2  方案四实物
图 2 方案四实物

试验结果对比

将表2中四种试验方案分别进行热失控试验,分别统计其热失控防护保持时间,其试验结果如图3所示。方案一无任何防护阻隔措施, 其热失控保持时 间为 636 s, 方案三和方案四的 防护保持时间分别为 2 576 s 和 2 361 s, 与方案一相比, 其热失 控防护阻隔效果明显。 方案二防 护保持时间为 762 s, 与方案一 相比, 其热失控防护阻隔没有明显效果。

图 3  不同方案热失控时间对比
图 3 不同方案热失控时间对比

热失控试验结果分析

热失控失效形式对比

分别拆解试验以后的 4 个电池包,分别针对其火焰泄露位置、壳体失效形式及电池包内部零部件试验以后的状态进行分析。

图 4  方案一壳体失效形式
图 4 方案一壳体失效形式
图 5  方案二壳体失效形式
图 5 方案二壳体失效形式

方案一和方案二的热失控电池包壳体火焰泄露区域分别如图4和图5所示,其壳体失效形式类似,均为高温融穿孔洞;其失效位置均为远离电芯喷火处,并且均不是电芯防爆阀正对位置;其附近均有高压连接件铜排,并且铜排均有熔断现象,图6为高温熔断的铜排;电池包内部存在多处铜排与金属件熔融搭接现象;电池包内部所有非金属件均烧成灰烬,包括铜排表面绝缘层,金属部件相对完整。

图 6  熔断铜排
图 6 熔断铜排

方案三和方案四火焰泄露位置以及壳体失效形式相似,均为电池包壳体上方,其失效形式为壳体受压膨胀变形过大导致的裂纹,如图7所示。电池包内部非金属件烧成灰烬,非金属件较为完整。

新能源电池包热失控防护方式探究
图 7 方案三、 方案四壳体失效形式

电池包内部温度分析

图8~10为试验过程中,电池包内部温度传感器随试验时间温度变化曲线,表示电池包壳体试验过程中的温度变化。其中,试验结束时,壳体温度采集点最高温度如表3 所示。

方案一方案二方案三方案四
温度/℃42650911321259
表3试验结束电池壳体温度

试验结果分析

电池包壳体材料为钣金材料,材料牌号为DC06,其熔点超过1500℃。方案一和方案二试验结束时候采集的温度均低于熔点温度。所以,导致壳体融穿的温度并不是热失控的高温导致的熔化,应为局部区域温度突变增高导致。针对方案二和方案三、方案四的试验对比,其主要差异性为绝缘性防护,特别是高压连接件绝缘性防护。因此,高压连接件铜排在热失控中的绝缘失效,是影响方案二防护时间短的重要因素。

图 8   温度变化曲线
图 8 温度变化曲线
图 9   方案一、 方案二温度变化曲线
图 9 方案一、 方案二温度变化曲线
图 10   方案三、 方案四温度变化曲线
图 10 方案三、 方案四温度变化曲线

根据试验结果分析,电池壳体局部温度突然增高超过熔点,并非电芯燃烧或者泄压所致,但是其附近铜排均有熔断现象,并且对电池包内部拆解均有铜排与附近金属件搭接短路熔融现象。

因此,可以得出结论,方案一和方案二导致热失控时间短的主要原因:铜排在热失控过程中,由于绝缘皮高温烧毁,同时铜排以及周边零部件的高温变形、损坏,导致铜排与上壳体短接,形成局部瞬间高温,引起上壳体局部熔化、穿孔,导致明火外泄。同时,方案四通过对铜排的防护,证明了高压连接件铜排在热失控防护中的影响,铜排与上壳体短接引起局部高温融穿导致的热失控失效,是导致影响热失控防护一个关键因素。对于防止内部高压连接件与壳体短接导致高压短路,也是电池包热防护一个关键的防护措施。

结论

  1. 本文通过试验的方法,对电池包内部选用不同的试验材料、零部件防护位置进行对比试验研究。试验表明,高温绝缘隔热材料阻隔效果明显优于非绝缘隔热材料。
  2. 本文通过对试验过后壳体失效形式研究,分析其热失控失效主要因壳体融穿失效。这是因高压连接件短接壳体,并非电芯燃烧导致。
  3. 本文通过研究发现除了热失控防护设计,对于高压连接件短接的防护是阻断热失控蔓延的关键因素之一。

相关新闻

  • 柔性电子之父,三院院士John A. Rogers教授近三年重要成果集锦

    柔性电子之父,三院院士John A. Rogers教授近三年重要成果集锦

    John A. Rogers教授是国际著名材料学家、物理学家及化学家,现为美国国家科学院、美国国家工程院、美国艺术与科学学院三院院士。John A. Rogers教授的主要研究方向为非常规电子器件材料及制造。近十年来在仿生电子器件的设计与制造、可穿戴生物医学电子器件等领域始终走在最前端,取得众多研究成果,成为业界领军人物。作为全球柔性电子技术研究的开创性领军人物,John A. Rogers教授开创的柔性电子技术研究开启了传统硬质无机电子技术产业从”硬”到”柔”的跨越,对…

    行业动态 2020年7月25日
  • 重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)

    重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)

    关于印发《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》的通告 工信部原 〔2019〕254号 为进一步做好重点新材料首批次应用保险补偿试点工作,现发布《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》,自2020年1月1日起施行。《重点新材料首批次应用示范指导目录(2018年版)》(工信部原〔2018〕262号)同时废止。 特此通告。 附件:《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》 下面有详细资料,如果不是很清晰,请点击上面文字,可以直接查看高清版PDF 工业和信息化部 20…

    公司新闻 2019年11月25日
  • 电动汽车电池热失控产生原因及防范措施

    电动汽车电池热失控产生原因及防范措施

    4月21日,一辆特斯拉Model S在上海地下车库发生自燃,自燃的视频在网络上迅速传播。很多媒体强调:“从冒烟到起火只有4秒,根本来不及逃生”。这让很多人觉得,电动汽车非常不安全。而且这么多电池,一旦一个电池故障,整辆车和车内的人就都危在旦夕。本文尝试为大家做一个解读。什么是热失控先说什么叫热失控,根据标准《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》里的定义,热失控指的是电池单体放热连锁反应引起的电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。新能源汽车的动力电池系统一般主要由电池模组、电池管理系统BMS、热管理系统以及一些电气和机械系统等构成。整车厂、或者动力电池系统的厂商,在设计生产电池系统时,要

    行业动态 2019年4月29日
  • 可逆交联聚合物用于高性能可回收锂硫电池粘结剂

    可逆交联聚合物用于高性能可回收锂硫电池粘结剂

    随着各种环境和能源危机的日益严重,汽车行业目前正经历着一场由燃油驱动向电驱动转变的变革。在这一变革中,先进电池技术的发展是更多更合理的利用可再生能源的关键。而且,大量电池的使用将不可避免的带来另一个不可忽视的环境问题:即大量废旧电池的回收处理。所以将电池材料的可持续发展纳入到新一代电池的研究开发中是非常有必要的。 由于硫元素具有自然界丰度高,价格便宜,且锂硫电池与传统锂离子电池相比具有很高的比容量和能量密度,使其非常有望成为下一代锂离子电池正极材料。然而,锂硫电池的实际应用仍然受制于很多问题, …

    行业动态 2020年7月25日
  • 石墨烯气凝胶应用于高体积比能量锂硫电池研究取得新进展

    石墨烯气凝胶应用于高体积比能量锂硫电池研究取得新进展

    4月25日,记者了解到,我所二维材料与能源器件创新特区研究组(DNL21T3)吴忠帅研究员团队发展了一种三维石墨烯/纳米碳管多孔气凝胶材料,并将其应用于锂硫电池的硫单质载体和中间层一体化正极,获得高体积能量密度和优异循环稳定性的锂硫电池。相关研究成果发表在《纳米能源》(Nano Energy)上。石墨烯的研究与应用开发持续升温,石墨和石墨烯有关的材料广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值,在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。 研究者们致力于在不同领域尝试不同方法以求制备高质量

    行业动态 2019年4月25日
  • 新华社吐槽新能源汽车行业:浮夸、注水、纸上造车、盲目招商

    新华社吐槽新能源汽车行业:浮夸、注水、纸上造车、盲目招商

    3月28日,新华社发布《新华社调查发现,这行业的这些毛病该治了》一文,针对新能源汽车行业,新华社用了“浮夸、注水、甩锅、纸上造车、盲目招商”这样明确带有贬义的词汇。 究其原因,就是过去十年间地方政府盲目招商,任由新能源汽车企业无序扩张导致。 2009年底,新能源汽车就被逐步确定为国家7大新兴产业之一,在2012年发布的《“十二五 ”国家战略性新兴产业发展规划》中提出重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化,推进新能源汽车及零部件研究试验基地建设,建立完整的新能源汽车政策框架体系,强化财税、技…

    行业动态 2021年3月29日
微信
微信
电话 QQ
返回顶部