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新能源汽车动力电池包的热扩散实验

  朱玉龙的汽车电子设计   2022-05-10 次浏览

关于工信部发布的规程,热扩散实验在GB电池标准进入强制之前一个过渡性的措施,从此以后有关电芯热失控扩散的要求正式进入一个新的阶段。

自2019年11月12日起,申请《公告》新能源汽车产品准入时,企业可自愿按《热扩散测试规范》增加热扩散测试项目,提交由第三方检测机构出具的检测报告。对于通过热扩散测试的动力蓄电池产品,在按GB/T 31485—2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》进行单体蓄电池及蓄电池模块过充电试验时,其充电截止条件可按照充电终止电压的1.1倍或115%SOC进行。

1.要求

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5 min,应提供一个热事件报警信号。

2.制造商定义的热事件报警信号说明

2.1 触发警告的热事件参数(例如温度、温升速率、SOC、电压下降、电流等)和相关阈值水平(通常明显区别于制造商规定的工作状态)。

2.2 警告信号说明:描述传感器以及在发生热事件时电池包或系统控制说明。

3.说明电池包或系统安全性文件

3.1在单个电池热失控引起热扩散的情况下,在电池单体、电池包或系统或车辆中应具有保护乘员的功能或特性。制造商应提供3.2~3.5中说明电池包或系统安全性文件。

3.2风险降低分析:使用适当的行业标准方法记录单个电池热失控导致热扩散所引起的对车辆乘员的风险以及降低风险所采用的缓解功能或特征(例如:GB/T 34590、ISO 26262、GB/T 20438、IEC 61508中的故障分析或类似的方法)。

3.3相关物理系统和组件的系统图。相关系统和组件是指有助于保护乘员免受由单个电池热失控触发的热扩散所引起的危害影响的系统和组件。

3.4表示相关系统和组件的功能操作、确认所有风险缓解功能或特征的图表。

3.5制造商应提供电池包或系统安全性的风险缓解功能或特征的验证程序及结果文件,包括以下部分:

a)对其操作策略的描述;

b)实现功能的物理系统或组件的标识;

c)说明风险缓解功能技术文书:分析或模拟验证的程序和结果数据;

d)说明风险缓解功能技术文书:验证试验的程序和结果数据。包括以下部分:

1)试验时间、地点及产品技术参数;

2)试验程序:包括试验方法、试验对象、触发对象、监控点布置方案、热失控触发判定条件以及对试验对象所做的改动清单等,制造商可自行提供试验程序,也可参考5所述程序;

3)试验结果:包括试验关键事件(热失控触发开启、热失控触发停止、热事件报警信号、外部烟、火、爆炸等)的照片、数据和时间等。

4.验证与资料提供说明

4.1检测机构依据制造商提供的技术文书、试验程序进行结果验证,并提供试验报告。

4.2热扩散乘员保护分析与验证报告应包含表1所列3项报告,其中第1项和第2项为制造商提供,第3项由检测机构出具。

注:3.5 d)与4所述的验证试验可为在相同检测机构进行的同一试验。

编号

报告名称

对应章节

1

制造商定义的热事件报警信号说明

2.1、2.2

2

说明电池包或系统安全性技术文件

3.2、3.3、3.4、3.5

3

检测机构依据制造商提供的技术文书、试验程序进行结果验证的检测报告

4

5.热扩散乘员保护验证试验程序

5.1试验对象

试验对象为整车或电池包或系统。

5.2试验条件

试验应在以下条件进行:

a)本试验在温度为0 ℃以上,相对湿度为10%~90%,大气压力为86 kPa~106 kPa的环境中进行;

b)试验开始前,对试验对象的SOC进行调整。对于设计为外部充电的电池包或系统,SOC调至不低于制造商规定的正常SOC工作范围的95%;对于设计为仅通过车辆能源进行充电的电池包或系统,SOC调至不低于制造商工作范围的90%;

c)热扩散试验可能需要在测试开始前对电池包或系统进行一定程度的改动,导致可能无法进行充电,需在试验开始前确认试验对象的SOC满足要求;

d)试验开始前,所有的试验装置正常运行;

e)试验尽可能少地对测试样品进行改动,制造商需提交所做改动的清单;

f)试验在室内环境或者风速不大于2.5 km/h的环境下进行。

5.3试验方法

5.3.1推荐5.3.3或5.3.4作为热扩散试验的可选方法,制造商可以选择其中一种方法,也可自行选择其他方法来触发热失控。

5.3.2热失控触发对象:试验对象中的电池单体。选择电池包内靠近中心位置,或者被其他电池单体包围的电池单体。

5.3.3推荐的针刺触发热失控方法如下:

a)刺针材料:钢;

b)刺针直径:3 mm~8 mm;

c)针尖形状:圆锥形,角度为20°~60°;

d)针刺速度:0.1 mm/s ~10 mm/s;

e)针刺位置及方向:选择能触发电池单体发生热失控的位置和方向(例如,垂直于极片的方向)。

5.3.4推荐的加热触发热失控方法:使用平面状或者棒状加热装置,并且其表面应覆盖陶瓷、金属或绝缘层。对于尺寸与电池单体相同的块状加热装置,可用该加热装置代替其中一个电池单体,与触发对象的表面直接接触;对于薄膜加热装置,则应将其始终附着在触发对象的表面;加热装置的加热面积都应不大于电池单体的表面积;将加热装置的加热面与电池单体表面直接接触,加热装置的位置应与5.3.5中规定的温度传感器的位置相对应;安装完成后,应在24 h内启动加热装置,以加热装置的最大功率对触发对象进行加热;加热装置的功率要求见表2;当发生热失控或者5.3.5定义的监测点温度达到300 ℃时,停止触发。

表2 加热装置功率选择

触发对象电能E Wh

加热装置最大功率W

E<100

30~300

100≤E<400

300~1000

400≤E<800

300~2000

E≥800

>600

5.3.5推荐的监控点布置方案如下:

a)监测电压或温度,应使用原始的电路或追加新增的测试用电路。监测温度定义为温度A(测试过程中触发对象的最高表面温度)。温度数据的采样间隔应小于1 s,准确度要求为±2 ℃。

b)针刺触发时,温度传感器的位置应尽可能接近短路点,也可使用针的温度(如图1)。

电动汽车电池热扩散实验


图1 针刺触发时温度传感器的布置位置示意图

c)加热触发时,温度传感器布置在远离热传导的一侧,即安装在加热装置的对侧(如图2)。

电动汽车电池热扩散实验


图2 加热触发时温度传感器的布置位置示意图

5.3.6推荐的热失控触发判定条件:

a)触发对象产生电压降,且下降值超过初始电压的25%;

b)监测点温度达到制造商规定的最高工作温度;

c)监测点的温升速率dT/dt≥1 ℃/s,且持续3 s以上。

当a)和c)或者b)和c)发生时,判定发生热失控。如果采用推荐的方法作为热失控触发方法,且未发生热失控,为了确保热扩散不会导致车辆乘员危险,需证明采用如上两种推荐方法均不会发生热失控。


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