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某电动汽车圆形三元电池热失控安全设计研究

   次浏览   安徽江淮汽车集团股份有限公司新能源汽车研究院   2021-06-11

引言


随着三元动力电池能量密度和容量大幅提升,电池热失控安全风险陡增,行业内新能源电动车起火事件时有发生,对产业健康发展带来严重影响。


业内将车用动力电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升,直至车辆失火的现象称之为“热失控”,研究电动车电池热失控安全解决方案,目前已成为各电动车企和科研机构的重要课题之一。


二、热失控问题解决思路


总体上,解决电池热失控问题,有主动安全和被动安全两个维度。


主动安全维度:措施是杜绝电池单体爆炸。但因电池是连续大批量生产的工业品,生产一致性管控无法实现故障PPM为0,必然存在电池单体出现故障引起爆炸的概率,因此全球范围内暂无法实现杜绝电芯爆炸。主动安全维度还需随着产业发展持续突破。


被动安全维度:基于电池单体发生爆炸难以避免的前提,通过“机械-电控-热管理”相耦合的系统方案,实现电池包不热失控,整车不起火。如,电池单体定向爆炸、电池模组实施热隔绝与电隔离,电池包设计排气、监控和内外防护结构,整车实施一体化热管理散热等措施。


三、某纯电动车圆形三元电池热失控安全设计方案


(一)电池单体选型分析

本文研究的纯电动车是一款标准A级轿车,最高车速150km/h,百公里加速时间7.6s,综合工况续驶里程530km,具有高性能、长续航的特点。


目前,业内主要有圆柱高镍三元、高镍方形和软包、磷酸铁锂这几种规模产业化的电池类型。基于车辆性能目标和安全设计要求,电池单体选型主要依据电池能量密度、安全、功率三个指标。电池上述三个指标是相互关联、相互影响的关系,需要平衡兼顾,从而选择最佳电池单体型式,如表1所示。

某电动汽车圆形三元电池热失控安全设计研究

圆形三元电池,优势在于能量密度和安全性。当前已批量产业化的此类电池,能量密度可达240Wh/kg,主要尺寸为21700型,电池单体容量5.0Ah以内,爆炸能量较小。即使因生产一致性问题,电池单体在电池包内发生爆炸,危害较小,通过完善的被动安全解决方案,可以避免电池包热失控。但此类电池的功率特性稍弱。


方形、软包三元电池,优势在于能量密度和功率密度。当前已批量产业化的此类电池,能量密度可达300Wh/kg,功率密度大。但此类电池单体容量大至几十、几百安时,爆炸能量是圆形三元电池的数十倍甚至几十倍,一旦发生爆炸,会极大概率引发电池包热失控和车辆起火,被动安全解决方案实施效果有限。


磷酸铁锂电池,优势在于安全性和功率密度。因磷酸铁锂材料的天然特性,此类电池一般不存在爆炸起火的风险。不足之处是能量密度偏低,目前难以突破200Wh/kg,如应用在高性能长续航电动车上,会出现电池包体积大,需求成组空间大的情况,一般高性能长续航电动车不选用此类电池。


综合上述分析及产业现状,本文研究的纯电动车选用圆形三元电池,21700型,NCA体系,4.8Ah,能量密度240Wh/kg,如图1所示。

某电动汽车圆形三元电池热失控安全设计研究

(二)四层次的热失控安全系统方案设计

1.第一层次——电池单体

电池单体的设计核心是:即使出现爆炸,也要向正负极方向定向爆破,从端部释放爆炸压力;不得出现失控的侧向任意方向爆破,导致壳体撕裂或局部溶洞,极易引发二次短路。

圆形三元电池单体安全结构示意图如图2所示。基于选择的21700电池单体结构,为实现定向爆破,对电池单体内部和外部安全结构实施了以下设计方案:

(1)壳体,厚度0.3mm,材质选用SPCC冷轧碳钢带。

(2)正极,去除正极顶盖,设计为利于电池定向爆炸排出能量的带小孔的正极帽盖,避免电池单体爆炸后,顶盖残骸进一步连接周围电池单体正极,产生二次短路。

(3)负极,通过试验开发,设计了倒梯形的安全刻痕,电池单体爆炸安全刻痕首先被撕裂,起爆破阀的作用。

(4)内部钢针,去除。圆形三元电池内部钢针,主要用于防止电池单体内部的极片在充放电使用过程中发生坍塌,以及提高电池寿命。但钢针会在电池单体爆炸后喷出,极易引发二次短路甚至热失控。综合考虑后,去除内部钢针,通过电池材料和极片结构优化,平衡钢针去除后对电池单体内部结构的影响。

(5)隔膜,选用陶瓷隔膜,增加陶瓷涂覆量。陶瓷隔膜相比普通隔膜耐热性好,闭孔和收缩温度较高,可提高电池单体的耐高温特性,当电池发生过温时,可有效避免其发生内短路;同时,还可有效防护因电池单体生产管控不足导致的毛刺等异物引发的内短路。

某电动汽车圆形三元电池热失控安全设计研究

2.第二层次——电池模组

电池单体通过一定的结构设计形成电池模组,如图3所示。电池模组预防热失控的核心措施是热隔绝和电隔离,如图4所示。图4展示的是图3电池模组的分解图。热隔绝的主要作用是实现电池单体爆炸后产生的热量和能量及时带走,避免周边电池单体急剧升温、受损甚至连锁爆炸。电隔离的作用是避免电池单体爆炸后排出的金属等导电飞溅物,形成周边电池单体之间的外短路从而造成爆炸连锁反应。

某电动汽车圆形三元电池热失控安全设计研究
某电动汽车圆形三元电池热失控安全设计研究

热隔绝方案三项:

(1)灌封胶,绿色所示,360°包覆电池单体。该胶具有导热系数高、自流平和绝缘性能好、轻量化的特点,实现电芯360°传热和电池包内电池单体温度分布均匀,能阻隔爆炸电池单体产生的热量辐射周边电池单体,避免引发连锁反应。

(2)液冷扁管,形成电池冷却系统冷却液快速流动的通道,快速带走电池单体爆炸后的热量,避免热量在电池模块内积聚,影响周边电池单体安全。

(3)固定夹板,用于固定电芯,同时形成电池模组内的排气通道,利于有序和定向释放电池单体爆炸压力。

电隔离方案三项:

(1)云母片,材料是云母,具有绝缘性好,强度高,耐温性优的特点,是避免电池单体爆炸后造成连锁外短路的第一道防线。

(2)集流板静电环氧喷涂,集流板连接着电池单体的正负极,是电池模组内电流输出的通道。为避免集流板上形成内短路,实施了静电环氧喷涂,是避免电池单体爆炸后造成连锁外短路的第二道防线。

(3)柔性可熔断连接,与电池模组内每个电池单体连接,一旦发生外短路,大电流经过时,立即熔断,杜绝外短路。

此外,相邻的电池模组之间,也需设计电隔离结构,如图5所示。主要是采用绝缘材质的结构件,杜绝电池模组之间通过爆炸物连接,发生电池单体外短路爆炸连锁反应。图内片状隔离结构材质也为云母。

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3.第三层次——电池包

主要是电池包结构强度设计。如图6所示。

(1)阻燃的上壳体,以塑代钢,轻质高强阻燃塑

料材质,防火烧,不助燃。

(2)高强度电池下壳体,确保整车碰撞时电池包主体结构不变形。主要选择6061挤出铝型材,屈服强度240Mpa,抗拉强度260Mpa。采用纵横梁设计,纵横交错的桁架结构有力地承载几百公斤的电池包,实现电池包壳体与车身结构一体化,保护电池包内的电池模组和电池单体。

(3)防刺穿结构,包括电池包防撞梁、防护板及底板抗石击涂层。避免电池包因底部穿刺造成模组结构失效。防撞梁采用AL6063材质,T6处理,底部磨损后防撞梁防锈性能不下降。防止整车行驶极端工况下,路障与电池包直接接触,避免电池包因底部穿刺造成模组结构失效。防护板及底板抗石击涂层,可避免路面激励的石头等物体击打电池包,造成局部结构损坏。

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4.第四层次——整车

主要是通过整车级热管理系统和电控系统设计实现安全。电控系统实时检测电池包安全状态,电池单体一旦爆炸,立即开启整车热管理系统的核心部件———智能温控中心、电子水泵、电动空调压缩机、热交换器等部件工作,冷却液快速循环为爆炸电池单体降温,避免热量集聚和向邻域电池传播。同时上报电池故障。如图7所示。

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四、方案有效性验证


(一)试验验证

基于上述四层次设计方案,开展了电池单体、电池模组、电池包和整车四层次、近万次试验验证,实现了一颗电芯爆炸,电池包不起火,证明方案可用于产品。

1.电池单体,爆炸试验7000次,均定向爆炸,无侧面爆破,壳体局部无熔洞。

2.电池模组,爆炸试验1500余次,电池单体爆炸后,电池模组无外短路,不爆炸,不起火。

3.电池包,爆炸试验700次,电池单体爆炸后,电池包不爆炸,不起火。

4.整车,爆炸试验70次,电池单体爆炸后,整车运行不受影响。

(二)市场使用验证

市场使用验证结果如表2所示。截至2020年12月底,公司2万辆车近四年使用,累计监控识别6例电芯爆炸故障车辆,均未起火。证明方案对解决高比能圆形三元电池热失控安全有效。

某电动汽车圆形三元电池热失控安全设计研究

五、结语


本文分析了电动汽车三元电池热失控原理、主动和被动两种热失控安全解决思路。基于公司某款纯电动汽车,设计了圆形三元电池的热失控安全被动解决方案,从电池单体、电池模组、电池包、整车四层次,详细阐述了方案特点。经试验验证及市场上车辆批量使用,验证了方案的有效性,供业内参考。

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