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如何进行电池包的热失控防护

   次浏览   知识星球   2021-01-07

目前为止,还没有看到100%有效的系统性防护方案,而电动汽车总会发生起火(LEAF也烧过了),至今也还没有看到本征安全的电芯(LFP电芯早烧了很多;固态电池也并非绝对安全,析锂是必然)。

 

所以,进行电池系统设计的人员,有一个前提是默认的,即电芯一定会起火爆炸,接下来要如何做。该种情况实际是热失控已经发生,如何避免热失控蔓延,避免导致整包,甚至是整车层面的起火燃烧。

 

业内的总体思路有两个:

 

第一:泄爆。


电芯一旦发生热失控,会快速产生大量高温气体,使PACK箱体内压急剧增加,如果气体不能得到有效释放,将造成两个潜在危害:(1)高温气体(与熔融物)加热周围电芯,可能引发其他电芯发生热失控;(2IP67级的箱体,具有很强的密闭性,有可能会炸裂,或严重形变,让外部空气进入,产生明火。

 

所以,电池箱体要设计有效的防爆排泄路径、排泄口,对外的引导方面,排放方向应避免进入乘客舱。

 

对于泄爆出口的位置,一般选在电池系统的前后端,这里看三个例子:第一、IPACE,有两个较大的防爆阀安装在后端;第二、上汽ER6,设计有4个防爆阀,分别位于前后端的角落处,ER6在防爆阀内侧增加了一层薄钢片,以避免高温烟气直接冲击防爆阀而引发爆燃,高温气体需要通过防护钢片的阻挡,再从钢片与电池托盘的间隙中到达排气阀口。


这个小细节与IPACE的细节相反,IPACE在防爆阀的外面设计有金属网笼,一方面避免急速排出的高温气体直接冲击车身,另一方面对里面的防爆阀起结构防护作用。


 

第三是特斯拉Model 3,它设计有两个主防爆阀,位于电池包后端,防爆阀外有半开放式的防护结构,同时对喷射出去的气体起到导向作用,均斜向地面。

 

除了在前后端,也有设计在电池包两侧的,代表案例是Model S,它除了在前端有一个泄爆阀之外,两侧各有很多个小的防爆阀(最初的设计有84个,后面的设计数量有所减少)。


 

84个阀的配置明显是有些冗余,从实际事故来看,确实可以将火焰引导到电池包两侧喷出,并且面向地面。这个设计的不足在于,增加了整个箱体的结构复杂度,成本也高,当车内仍有人时,两侧喷火的泄放会阻碍人的逃生。

 

第二:隔离。


隔离的目的是阻断传播,它包括电池包内的隔离,电池包外的隔离。电池包内的隔离包括利用纵横梁对模组进行隔离,利用耐火隔热材料进行隔离。根据兰钧孙总的分析:

 

1)这些结构要能够耐高温,导热率越低越好;同时,在各自区域的电池箱下壳体底部和侧面均设置有云母纸,要求耐温500-800℃高温,阻燃UL94V-0



2)采用耐火隔热材料,在电池包与车辆之间建立隔热屏障,延缓电池箱高温扩散至乘客舱(延长逃生时间)(US,20130153317)。


典型的技术材料应用如:隔噪、减震、阻燃、隔热材料6mm,二氧化硅+氧化钙纤维+粘结剂;3mm,闭孔发泡聚氨酯片导热系数<0.25W/mK900℃稳定,1000℃稳定10sec

 

3)包内采用耐火隔热材料将电芯/模组与上盖隔离开来,以防止电芯燃烧起来后,喷射的高温火焰将箱体烧穿,要求:


  • 耐温性能:持续耐温1000@导热系数0.23W/m.K,间歇耐温1200

  • 隔热性能:600℃,20min@厚度3mm,冷面温度<200

  • 金云母材料耐温性能:持续耐温600  @导热系数0.18W/m

 

4)电芯之间和模组本体进行隔离,包括防火棉、灌封胶等,在Model SModel3上分别有应用。电芯之间的隔离是为了阻断热量的传递,减缓对周围电芯的加热;模组本体隔离(如灌封),则是从根本上破坏起火的三要素,使起难以构成燃烧的条件。

 

以上这些是被动的防护措施,完全是靠材料或设计本身来硬抗热失控的冲击,按照国标的要求,至少要能坚持5分钟以上。

 

除此之外,还有些主动的方案,如在大巴里应用比较多的灭火系统(现如今也在集成到了乘用车电池系统内),如及时有效的热管理,将热量及时散出去,等。

 

被动防护的很大一部分工作是传递给零部件企业或材料企业,他们需要提供好的防爆产品和耐火隔热材料,PACK层面重要的工作则是构建一个有效的防护系统,将各种方案和技术配置一个最适合自己的设计。

 

 


Backup Data


以下热失控及防护的基本理论知识来自于欧阳明高院士团队,供大家参考,以便更好地理解热失控蔓延的防护。

 

一、

热失控造成危害要历经3个阶段:(1)热失控触发;(2)热失控发生;(3)热失控扩散或热失控蔓延。


 

我们所要畏惧的是第3个阶段。通常来说,触发电芯热失控主要是以下4类因素:(1)电气滥用;(2)机械滥用;(3)热滥用;(4)电芯自身的质量问题。


 

根据大量的实测案例,锂电池热失控有3个关键的温度点:

  • T1是电池异常发热的起始温度;

  • T2是电池热失控的触发温度;

  • T3是电池热失控后达到最高温度

  • max{dT/dt}反映热失控过程中的最大放热率,与电池的能量密度呈正相关。

 

三、下图是电芯级别的热失控过程和防护方案

四、下图是PACK系统级别的热失控状态图,以及相对应的热失控防护策略。



A概括了热失控发生后,两条不同的热失控演变路径,根据不同状态或现象发生的先后顺序所绘制的,图B是详细的阐述。一条路径是由起火的三要素控制(氧气;可燃物;达到一定温度)的热失控蔓延路径;另一条是由热传递控制的热失控,如图A中灰色箭头,这是我们期望的热失控传递路径,它是可控的,但在一定条件下(gas migration, integrity loss, and fire ignition)会转换为上面路径。

 

五、导致热失控的4个滥用条件,以及相对应的防护思路


backup data 参考材料放在 知识星球 中。

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