作為新能源電動(dòng)汽車(chē)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(huì)嚴(yán)重影響乘車(chē)人的安全。因此,降低電池起火風(fēng)險(xiǎn)以及電池包熱失控阻隔防護(hù),在新能源汽車(chē)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(hù)方面做了大量的研究,并提出多種阻隔防護(hù)措施。張少禹等人以NCM811型電池為研究載體,通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)比了不同阻隔材料、阻隔厚度及阻隔層數(shù)對(duì)熱失控阻隔效果的影響;ChenJie等人針對(duì)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(shí)滿足熱失控蔓延和電池模組冷卻;劉蒙蒙針對(duì)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(jī)理,以及防護(hù)措施;高飛等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guò)對(duì)熱失控總結(jié)研究,認(rèn)為增加額外阻隔方案是控制熱失控?cái)U(kuò)展的重要方向,同時(shí)多種阻燃材料被進(jìn)行研究總結(jié)。

本文通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)比研究了電池包內(nèi)部多種熱失控阻隔方案。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)比研究了電池包內(nèi)部阻隔位置、阻隔材料對(duì)熱失控蔓延時(shí)間的影響,并分析了電池包內(nèi)部高壓器件在熱失控過(guò)程中,與周邊金屬件的短接是影響熱失控的重要因素。這對(duì)電池?zé)崾Э胤雷o(hù)設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

電池包熱失控試驗(yàn)分析

電池包熱失控發(fā)生機(jī)理

如表1所示,導(dǎo)致動(dòng)力電池?zé)崾Э氐闹饕|發(fā)機(jī)理為:機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用,本文試驗(yàn)選用熱濫用觸發(fā)機(jī)理。

熱失控溫度檢測(cè)點(diǎn)
熱失控溫度檢測(cè)點(diǎn)

試驗(yàn)設(shè)置

機(jī)械濫用隔膜破壞引發(fā)短路
電濫用過(guò)沖、過(guò)放使局部溫度過(guò)高;外短路導(dǎo)致溫度過(guò)高
熱濫用隔膜收縮、潰塌導(dǎo)致內(nèi)短路
表1熱失控失效機(jī)理

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(gè)電芯表面,恒定功率加熱。當(dāng)電池溫升速率超過(guò)1℃/s,持續(xù)3s,并且電池溫度超過(guò)其工作使用溫度,此為熱失控開(kāi)始時(shí)刻ts,并記錄熱失控開(kāi)始時(shí)刻;電池包有明火泄出超過(guò)5s,記錄此時(shí)時(shí)間tw;熱失控防護(hù)保持時(shí)間為tb,其計(jì)算公式如下:

tb=tw-ts

溫度檢測(cè)

電池包內(nèi)部根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求布置阻隔材料。同時(shí),電池包內(nèi)部不同位置需要進(jìn)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(cè)電芯表面溫度,ts檢測(cè)防護(hù)材料近電芯側(cè)溫度,tf檢測(cè)防護(hù)材料與電池殼體間的溫度。

電池包熱失控試驗(yàn)結(jié)果

阻隔方案設(shè)計(jì)

本文研究對(duì)象為51Ah高鎳鋰離子方形電芯電池包,根據(jù)防護(hù)材料、防護(hù)位置不同,防護(hù)方案分別見(jiàn)表2。

防護(hù)材料防護(hù)位置
方案一無(wú)防護(hù)無(wú)防護(hù)
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
表2阻隔試驗(yàn)方案

方案一未做任何防護(hù),用于跟其他3種防護(hù)阻隔效果對(duì)比,所選用的兩種材料耐高溫均超過(guò)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(hù)位置如圖1所示。其中,1為模組;2為防火材料,對(duì)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(chē)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(shí)物如圖2 所示。

圖 2  方案四實(shí)物
圖 2 方案四實(shí)物

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將表2中四種試驗(yàn)方案分別進(jìn)行熱失控試驗(yàn),分別統(tǒng)計(jì)其熱失控防護(hù)保持時(shí)間,其試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。方案一無(wú)任何防護(hù)阻隔措施, 其熱失控保持時(shí) 間為 636 s, 方案三和方案四的 防護(hù)保持時(shí)間分別為 2 576 s 和 2 361 s, 與方案一相比, 其熱失 控防護(hù)阻隔效果明顯。 方案二防 護(hù)保持時(shí)間為 762 s, 與方案一 相比, 其熱失控防護(hù)阻隔沒(méi)有明顯效果。

圖 3  不同方案熱失控時(shí)間對(duì)比
圖 3 不同方案熱失控時(shí)間對(duì)比

熱失控試驗(yàn)結(jié)果分析

熱失控失效形式對(duì)比

分別拆解試驗(yàn)以后的 4 個(gè)電池包,分別針對(duì)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(yàn)以后的狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖 4  方案一殼體失效形式
圖 4 方案一殼體失效形式
圖 5  方案二殼體失效形式
圖 5 方案二殼體失效形式

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(lèi)似,均為高溫融穿孔洞;其失效位置均為遠(yuǎn)離電芯噴火處,并且均不是電芯防爆閥正對(duì)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(duì)完整。

圖 6  熔斷銅排
圖 6 熔斷銅排

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(guò)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。

新能源電池包熱失控防護(hù)方式探究?
圖 7 方案三、 方案四殼體失效形式

電池包內(nèi)部溫度分析

圖8~10為試驗(yàn)過(guò)程中,電池包內(nèi)部溫度傳感器隨試驗(yàn)時(shí)間溫度變化曲線,表示電池包殼體試驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化。其中,試驗(yàn)結(jié)束時(shí),殼體溫度采集點(diǎn)最高溫度如表3 所示。

方案一方案二方案三方案四
溫度/℃42650911321259
表3試驗(yàn)結(jié)束電池殼體溫度

試驗(yàn)結(jié)果分析

電池包殼體材料為鈑金材料,材料牌號(hào)為DC06,其熔點(diǎn)超過(guò)1500℃。方案一和方案二試驗(yàn)結(jié)束時(shí)候采集的溫度均低于熔點(diǎn)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?cè)龈邔?dǎo)致。針對(duì)方案二和方案三、方案四的試驗(yàn)對(duì)比,其主要差異性為絕緣性防護(hù),特別是高壓連接件絕緣性防護(hù)。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(hù)時(shí)間短的重要因素。

圖 8   溫度變化曲線
圖 8 溫度變化曲線
圖 9   方案一、 方案二溫度變化曲線
圖 9 方案一、 方案二溫度變化曲線
圖 10   方案三、 方案四溫度變化曲線
圖 10 方案三、 方案四溫度變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,電池殼體局部溫度突然增高超過(guò)熔點(diǎn),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(duì)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(shí)間短的主要原因:銅排在熱失控過(guò)程中,由于絕緣皮高溫?zé)龤?,同時(shí)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(shí),方案四通過(guò)對(duì)銅排的防護(hù),證明了高壓連接件銅排在熱失控防護(hù)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(hù)一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)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(hù)一個(gè)關(guān)鍵的防護(hù)措施。

結(jié)論

  1. 本文通過(guò)試驗(yàn)的方法,對(duì)電池包內(nèi)部選用不同的試驗(yàn)材料、零部件防護(hù)位置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)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。
  2. 本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)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。
  3. 本文通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)除了熱失控防護(hù)設(shè)計(jì),對(duì)于高壓連接件短接的防護(hù)是阻斷熱失控蔓延的關(guān)鍵因素之一。

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