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动力蓄电池热失控检测方案可行性分析

   次浏览   安徽江淮汽车集团股份有限公司   2021-06-12

动力蓄电池是新能源汽车的储能装置,目前所使用的电池绝大部分为锂离子电池。锂离子电池相对于其他类型电池,具有能量高、体积小、质量轻等优点,成为纯电动汽车较为理想的能量来源。随着长续航里程需求的不断增加,动力蓄电池能量密度越来越高,其产业化的最大技术难点就是电池包热失控安全性,电池内部电芯因制造缺陷和滥用不可避免地会发生热失控。


到目前为止,发生了多起由于热失控引发的安全事故。作为技术标准应对,2020年5月12日,国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布GB38031-2020《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》,锂离子电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散,进而导致乘员舱发生危险之前5min,应提供一个预先警告信号,提醒乘员疏散。因此电池热失控检测方案成为危险预警的关键。


检测方案综述


通常火灾发生的过程分为:初起阶段、全面发展阶段和熄灭阶段。电动汽车锂离子电池热失控过程可分为锂电池过热释放可燃气体、释放烟雾、出现明火、发生爆炸和热失控扩展等5个阶段。释放可燃气体、释放烟雾可视为火灾发生的初起阶段,在此阶段若及时发出报警信号可有效较低电池热失控安全事故。


新能源汽车锂电池热失控火灾发生的初起阶段,锂电池处于早期过热或电解液泄漏阶段将逐步释放出微量的可燃气体,如一氧化碳(CO)、磷酸二甲酯与氢气等。电芯爆喷后会释放大量的烟雾,同时伴随着电池包内气体压力的变化。鉴于锂电池箱封闭的使用环境,对锂电池箱内的气体成分、烟雾浓度、气体压力进行实时探测和监控,是对锂电池热失控发生进行极早期预警的最直接手段。


针对新能源汽车锂电池热失控火灾发生的初起阶段,本文将讨论某供应商的CO烟雾传感器与压力传感器并对其进行相关研究。


传感器试验验证


1.传感器初步可行性试验验证

基于公司某电动车项目,验证CO、烟雾和压力三款传感器对电池包内电芯爆喷的反应能力。传感器布置在电池包内,位置如图1所示。

动力蓄电池热失控检测方案可行性分析

试验中将电池包上壳体安装到位,保证整包密封性能,通过加热法将电池包内某颗电芯引爆。不同传感器输出数据如图2所示。

动力蓄电池热失控检测方案可行性分析

压力传感器在电芯爆喷后立即有压力变化响应,35s后达到最大值,最大变化幅值为2.5kPa,压力变化率较小;CO传感器在电芯爆喷后23s后达到最大量程1000ppm;烟雾传感器在电芯爆喷后30s后达到最大量程2000μg/m3。


由于压力传感器变化幅值较小,且变化斜率不明显,考虑到大气压力与温度等因素的变化均会对电池包内气体压力产生影响,故使用压力传感器存在故障误报风险。由此,我公司此项目不宜使用压力传感器进行热失控的检测。CO、烟雾传感器均在30s内达到最大量程输出值,满足相应国标5min要求。

2.传感器抗干扰验证

CO传感器不只是对CO气体响应,对其他个别干扰气体也有响应,传感器对不同干扰气体响应特性如表1所示。烟雾传感器采用光电原理,理论上只对烟雾颗粒响应。

动力蓄电池热失控检测方案可行性分析

为验证电池包内混合气体对传感器的影响,将CO及烟雾传感器布置在电池包内进行高温存储,并记录传感器输出值。电池包高温存储24h后,CO传感器输出数值持续上升,并达到满量程,初步判定电池包内存在其他气体干扰;烟雾传感器输出数值基本无变化,电池包内气体对其无干扰。过程如图3所示。

动力蓄电池热失控检测方案可行性分析

为进一步明确电池包内何种材料释放出CO传感器干扰气体,使用CO检测手持设备对5200胶、塑料件、泡沫块、导热硅胶垫、绝缘纸及环氧板等不同材料进行了检测(图4),每种材料在密封袋中放置8h,检测结果只有胶测出了1000ppm的CO响应值。

动力蓄电池热失控检测方案可行性分析

测试结果表明电池包内使用的结构胶会释放某种干扰气体,使CO传感器产生响应。进一步对结构胶释放气体进行成份分析发现,结构胶会释放乙烯,而乙烯会对CO传感器产生强干扰,故CO传感器输出值会持续上升。由于结构胶为电池包内必需品,电池包内必定会存在乙烯类气体,故CO传感器不适用于我公司此项目电池包。结构胶释放的具体气体成份如表2所示。

动力蓄电池热失控检测方案可行性分析
动力蓄电池热失控检测方案可行性分析

3.传感器可靠性验证


证明CO传感器及压力传感器在电池包热失控检测中不适用,本章节主要针对烟雾传感器进行可靠性验证。使用同一个烟雾传感器重复进行6次连续模组级热失控试验,每次试验后打开箱体上盖释放烟雾,6次试验烟雾传感器均能快速有效检测到热失控状态,且烟雾释放后均能恢复到初始值。模组热失控实验见图5,6次模组热失控试验延误传感器响应曲线如图6所示。

动力蓄电池热失控检测方案可行性分析

总结


本文介绍了三种新能源汽车动力蓄电池热失控检测方案及其验证过程。通过分析验证,最终确认压力传感器存在误报风险,CO传感器存在气体干扰,均不适合我司电池包进行热失控检测;烟雾传感器在响应时间、抗干扰、可靠性等方面均满足热失控检测相关标准要求,可用于动力蓄电池热失控检测。

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