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动力电池安全智能系统实例分析及建议

2015年以来,电动汽车被烧事件一而再三地被媒体曝光。如何解决好这个问题,2017年5月6日-7日,由清华大学主办的第一届全国锂离子电池安全性技术研讨会在北京召开,欧阳明高教授认为,解决好动力电池热失控需要三板斧。这些说明,要解决好电动汽车上动力电池的安全,一是行业上下都必须要高度重视,二是要研发出技术指标较高的系统(总成件),三有了这样的系统以后,要积极配置到汽车上来。笔者将自己对动力电池安全智能系统及实例分析及建议,分享给大家,供大家参考。

一、动力电池安全隐患的诱因

动力电池是能源载体,说明其安全隐患诱因是客观存在的。按照欧阳明高教授的总结,大致可以分为三大类:

1)外部高温会导致电芯防爆膜破裂,电解液喷出,会发生燃烧、起火。在外部高温环境下, 电解液分解物与正极、负极发生反应,电芯隔膜将融化分解等导致内部短路,电能量释放也多会产生大量的热量。



图1 试验数据示意图动力电池高温试验数据示意图


试验数据显示,当电池单体温度达到135℃时,隔膜开始融化,电压下降;150℃电池电压快速下降,等温度高达245℃时,隔膜完全崩溃。结论是,电池单体工作温度在40℃~50℃之间是比较理想的。结论是,如果高于或低于这个温度范围都是不利于电池正常使用的。

2)动力电池内部的杂质、金属颗粒、充放电膨胀与收缩、析锂等都有产生动力电池内部短路的可能。由动力电池内部杂质引起的内短路的过程的机理,目前全世界专家还在研究阶段。

结论是,目前要做到消除动力电池内部的杂质等诱因,理论上还没有找到可行的办法。

3)汽车机械受损如强烈的撞击、翻车、挤压也是无法规避的客观事实。机械受损会导致电池发生机械损坏,在很短的时间内,会发生动力电池短路。结论是,汽车是运动物体,动力电池的机械受损也是一个大概率事件。

二、动力电池发生安全事故的人为因素

1)由于充电操作不当导致外部短路。导致电池放电电流很大,会使电芯发热,高温会使电芯内部的隔膜收缩或完全坏坏,造成内部短路,因而爆炸。结论是,进行培养,加强管理是一个十分必要的基础管理工作。

2)电池过充导致正极的锂过度放出会使正极的结构发生变化。而放出的锂过多也容易无法插入负极中,也容易造成负极表面析锂,而且,当电压达到4。5V以上时,电解液会分解生产大量的气体,从而导致电池鼓胀,严重的话甚至会冒烟起火。结论是,要通过声光等措施要能及时告知要告诉操作人员,同时技术措施立即到位。要能杜绝这个行为的发生。

3)过放会导致电池正极材料分子结构损坏,从而导致充不进去电。结论是,要通过声光等措施要能告知要告诉操作人员,同时技术措施上,要能杜绝这个行为的发生。

4)IP防护等级不达标,导致电池内部水份含量过高。水份可以和电芯中的电解液反应,生产气体,充电时,可以和生成的锂反应,生成氧化锂,使电芯的容量损失,易使电芯过充而生成气体,水份的分解电压较低,充电时很容易分解生成气体,当这一系列生成的气体会使电芯的内部压力增大,当电芯的外壳无法承受时,电芯就会爆炸。

三、动力电池安全安防范措施

1)BMS管理系统要具备自动规避人为不当操作的功能。

2)动力电池单体生产中过程控制措施到位。主要是要保障单体质量要高、一致性要高。电池包的IP等级要符合电动汽车的技术要求;

3) BMS管理系统要能控制电动系统环境温度,要保持适宜,具有自动调节功能;

4)低温环境下,BMS管理系统要能对动力系统自动加温,对即将发生燃烧时(或爆炸时刻),要能自动消除这些;

四、动力电池安全智能系统基本结构

动力电池安全智能系统分为三部分:a)电池系统;b)热管理系统;c)自动灭火系统。

动力电池安全智能系统基本结构

图2 动力电池安全智能系统基本结构

1)热管理系统的基本功能

a)电动汽车正常后,电池始终保持在最佳工作温度区间;

b)低温环境下,借力充电枪(220-380网电)给车载电池加热至电池正常工作问题;

c)规避杜绝虚充或者过充;

d)能在-40度极寒条件下,确保电动汽车能正常工作。

 动力电池热管理系统基本部件

图3 热管理系统基本部件

2)自动灭火系统基本功能

a)电池箱温度过高或者燃烧时,自动声光报警,通知乘员疏散;

b)将药剂罐内药剂迅速喷入电池箱内进行灭火,整个过程不超过0。2秒。

c)整个灭火结果,不给电池系统造成新损伤。

五、动力电池安全智能系统工作原理

1)热管理系统的基本原理

采用液体冷却技术,将专业设计的换热板放置于电池箱内,在主机内对液体介质进行加热/冷却,再将液体送入换热板内,通过内部流转的液体进行循环换热。技术指标要求:

a)电池温度精确控制在(±1℃);

b)温控速度在极热或极冷情况下能20分钟达到动力电池的正常范围。

c)体积尺寸大小必须控制在整车能接受范围以内。

可以实现实现的基本目标:

a)防止电池温度过高,减少电化学腐蚀,避免热失控导致燃烧或爆炸;杜绝电池温度过高所引起的自燃;

b)防止低温充电时,电池易出现瞬间电压过充现象,导致短路;

c)防止低温过充时导致的电池不可逆损伤。

2)自动灭火系统的基本原理

在温度(热量)传感器信号发生时,ECU发出指令,执行元件开始工作,灭火剂立即到达,遇热迅速气化,吸收大量热量,达到快速降温的作用,且在电池箱底部形成积液,可持续降温。技术指标要求:

a)常温常压储存下,灭火剂有效期达10年;

b)灭火剂药剂遇热气化,沉滞于电池箱内,迅速稀释氧含量,在非闭空间里,亦可达到窒息灭火。

c)灭火剂能捕捉自由基,持续快速打断链式反应,形成保护层,阻止复燃。

d)灭火剂介电强度大于60KV(不导电),且无腐蚀性,不会对电池造成任何伤害;

e)药剂在自然状态下5天自然分解,喷放后无需对电池箱做任何清洁工作,同时其分解物对环境无任何污染。臭氧层损耗值(ODP)为0,温室效应值(GWP)为1。

六、总结及建议

1)电动客车配置“动力电池安全智能系统”将是强制安全标准的要求。《机动车运行安全技术条件》(GB7258-20&TImes;&TImes;)代替GB 7258-2012)(征求意见稿)的12.10.4条款明确要求:“车厂大于等于6m纯电动客车、充电式混合动力客车、燃料电池汽车应设置具有向驾驶人员报警功能的电池箱专用自动灭火装置。”客车整车企业必须加强对动力电池安全智能系统的研究。

2)电池安全智能系统理应向高集成度方向发展。纯电动客车的驱动电机也要保持一定工作温度,客车车身里也要求自动灭火装置。客车里不可能配置功能基本一致的多套的装置。最好是一整套总成,体积要小。

3)灭火剂,一是绝缘度等级要高,二是灭火剂完全灭火功能后,能自动自然分解,三是灭火剂完全灭火功能后,在动力电池箱上不能有遗留物。

4)有了“动力电池安全智能系统”,电动汽车安全等级会大大提高,对电动汽车普及应用,无疑是”功在整车、零部件厂家,利在老百姓“的大好事,大家都要积极推动它的应用。

5)中国电动汽车发展速度会很快的,安全措施(技术)必须要跟上。动力电池安全智能系统理应一个核心技术,一是持续提高质量,二是有序地配置到车来,一定要消除老百姓对电动汽车安全性怀疑心理。

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