作為新能源電動汽車的核心零部件,電池安全尤為重要,電池失火以及熱失控蔓延將會嚴重影響乘車人的安全。因此,降低電池起火風(fēng)險以及電池包熱失控阻隔防護,在新能源汽車安全中尤為重要。
為了提高電池系統(tǒng)的安全性能,企業(yè)和高校紛紛在電池包熱失控防護方面做了大量的研究,并提出多種阻隔防護措施。張少禹等人以NCM811型電池為研究載體,通過試驗的方法對比了不同阻隔材料、阻隔厚度及阻隔層數(shù)對熱失控阻隔效果的影響;ChenJie等人針對冷卻與熱失控一體化的阻隔方案,確定了一種阻隔方案同時滿足熱失控蔓延和電池模組冷卻;劉蒙蒙針對電池?zé)崾Э胤謩e從單體電芯、模組和Pack層面分別研究其失效機理,以及防護措施;高飛等人通過實驗驗證了三元乙丙橡膠在電池?zé)崾Э刂械淖韪糇饔?;鄒振耀等人通過對熱失控總結(jié)研究,認為增加額外阻隔方案是控制熱失控擴展的重要方向,同時多種阻燃材料被進行研究總結(jié)。
本文通過試驗方法對比研究了電池包內(nèi)部多種熱失控阻隔方案。根據(jù)試驗結(jié)果,對比研究了電池包內(nèi)部阻隔位置、阻隔材料對熱失控蔓延時間的影響,并分析了電池包內(nèi)部高壓器件在熱失控過程中,與周邊金屬件的短接是影響熱失控的重要因素。這對電池?zé)崾Э胤雷o設(shè)計具有重要參考價值。
電池包熱失控試驗分析
電池包熱失控發(fā)生機理
如表1所示,導(dǎo)致動力電池?zé)崾Э氐闹饕|發(fā)機理為:機械濫用、電濫用和熱濫用,本文試驗選用熱濫用觸發(fā)機理。
試驗設(shè)置
機械濫用 | 隔膜破壞引發(fā)短路 |
電濫用 | 過沖、過放使局部溫度過高;外短路導(dǎo)致溫度過高 |
熱濫用 | 隔膜收縮、潰塌導(dǎo)致內(nèi)短路 |
熱失控觸發(fā)方式采用加熱平板(400W、220V)貼在電池包內(nèi)某個電芯表面,恒定功率加熱。當(dāng)電池溫升速率超過1℃/s,持續(xù)3s,并且電池溫度超過其工作使用溫度,此為熱失控開始時刻ts,并記錄熱失控開始時刻;電池包有明火泄出超過5s,記錄此時時間tw;熱失控防護保持時間為tb,其計算公式如下:
tb=tw-ts
溫度檢測
電池包內(nèi)部根據(jù)實驗需求布置阻隔材料。同時,電池包內(nèi)部不同位置需要進行溫度采集,用于觸發(fā)依據(jù)和結(jié)果分析。溫度采集選用K型熱電偶,其溫度采集布置如圖1所示。其中,tc檢測電芯表面溫度,ts檢測防護材料近電芯側(cè)溫度,tf檢測防護材料與電池殼體間的溫度。
電池包熱失控試驗結(jié)果
阻隔方案設(shè)計
本文研究對象為51Ah高鎳鋰離子方形電芯電池包,根據(jù)防護材料、防護位置不同,防護方案分別見表2。
防護材料 | 防護位置 | |
方案一 | 無防護 | 無防護 |
方案二 | 預(yù)氧絲毛氈(高溫導(dǎo)電) | 電池包殼體內(nèi)壁面 |
方案三 | 陶瓷橡膠(高溫絕緣) | 電池包殼體內(nèi)壁面 |
方案四 | 陶瓷橡膠(高溫絕緣) | 高壓連接件 |
方案一未做任何防護,用于跟其他3種防護阻隔效果對比,所選用的兩種材料耐高溫均超過1000℃,導(dǎo)熱系數(shù)均小于0.05W/(m·K)。其中,方案二和方案三在電池包內(nèi)防護位置如圖1所示。其中,1為模組;2為防火材料,對應(yīng)表2中方案二的預(yù)氧絲毛氈和方案三的陶瓷橡膠;3為電池包上殼體;4為高壓連接件銅排,銅排的作用是串聯(lián)電池模組以及整車高壓連接件。方案四為高壓連接件銅排外部包覆陶瓷橡膠,其包覆以后的實物如圖2 所示。
試驗結(jié)果對比
將表2中四種試驗方案分別進行熱失控試驗,分別統(tǒng)計其熱失控防護保持時間,其試驗結(jié)果如圖3所示。方案一無任何防護阻隔措施, 其熱失控保持時 間為 636 s, 方案三和方案四的 防護保持時間分別為 2 576 s 和 2 361 s, 與方案一相比, 其熱失 控防護阻隔效果明顯。 方案二防 護保持時間為 762 s, 與方案一 相比, 其熱失控防護阻隔沒有明顯效果。
熱失控試驗結(jié)果分析
熱失控失效形式對比
分別拆解試驗以后的 4 個電池包,分別針對其火焰泄露位置、殼體失效形式及電池包內(nèi)部零部件試驗以后的狀態(tài)進行分析。
方案一和方案二的熱失控電池包殼體火焰泄露區(qū)域分別如圖4和圖5所示,其殼體失效形式類似,均為高溫融穿孔洞;其失效位置均為遠離電芯噴火處,并且均不是電芯防爆閥正對位置;其附近均有高壓連接件銅排,并且銅排均有熔斷現(xiàn)象,圖6為高溫熔斷的銅排;電池包內(nèi)部存在多處銅排與金屬件熔融搭接現(xiàn)象;電池包內(nèi)部所有非金屬件均燒成灰燼,包括銅排表面絕緣層,金屬部件相對完整。
方案三和方案四火焰泄露位置以及殼體失效形式相似,均為電池包殼體上方,其失效形式為殼體受壓膨脹變形過大導(dǎo)致的裂紋,如圖7所示。電池包內(nèi)部非金屬件燒成灰燼,非金屬件較為完整。
電池包內(nèi)部溫度分析
圖8~10為試驗過程中,電池包內(nèi)部溫度傳感器隨試驗時間溫度變化曲線,表示電池包殼體試驗過程中的溫度變化。其中,試驗結(jié)束時,殼體溫度采集點最高溫度如表3 所示。
方案一 | 方案二 | 方案三 | 方案四 | |
溫度/℃ | 426 | 509 | 1132 | 1259 |
試驗結(jié)果分析
電池包殼體材料為鈑金材料,材料牌號為DC06,其熔點超過1500℃。方案一和方案二試驗結(jié)束時候采集的溫度均低于熔點溫度。所以,導(dǎo)致殼體融穿的溫度并不是熱失控的高溫導(dǎo)致的熔化,應(yīng)為局部區(qū)域溫度突變增高導(dǎo)致。針對方案二和方案三、方案四的試驗對比,其主要差異性為絕緣性防護,特別是高壓連接件絕緣性防護。因此,高壓連接件銅排在熱失控中的絕緣失效,是影響方案二防護時間短的重要因素。
根據(jù)試驗結(jié)果分析,電池殼體局部溫度突然增高超過熔點,并非電芯燃燒或者泄壓所致,但是其附近銅排均有熔斷現(xiàn)象,并且對電池包內(nèi)部拆解均有銅排與附近金屬件搭接短路熔融現(xiàn)象。
因此,可以得出結(jié)論,方案一和方案二導(dǎo)致熱失控時間短的主要原因:銅排在熱失控過程中,由于絕緣皮高溫?zé)龤?,同時銅排以及周邊零部件的高溫變形、損壞,導(dǎo)致銅排與上殼體短接,形成局部瞬間高溫,引起上殼體局部熔化、穿孔,導(dǎo)致明火外泄。同時,方案四通過對銅排的防護,證明了高壓連接件銅排在熱失控防護中的影響,銅排與上殼體短接引起局部高溫融穿導(dǎo)致的熱失控失效,是導(dǎo)致影響熱失控防護一個關(guān)鍵因素。對于防止內(nèi)部高壓連接件與殼體短接導(dǎo)致高壓短路,也是電池包熱防護一個關(guān)鍵的防護措施。
結(jié)論
- 本文通過試驗的方法,對電池包內(nèi)部選用不同的試驗材料、零部件防護位置進行對比試驗研究。試驗表明,高溫絕緣隔熱材料阻隔效果明顯優(yōu)于非絕緣隔熱材料。
- 本文通過對試驗過后殼體失效形式研究,分析其熱失控失效主要因殼體融穿失效。這是因高壓連接件短接殼體,并非電芯燃燒導(dǎo)致。
- 本文通過研究發(fā)現(xiàn)除了熱失控防護設(shè)計,對于高壓連接件短接的防護是阻斷熱失控蔓延的關(guān)鍵因素之一。