2015年以來,電動汽車被燒事件一而再三地被媒體曝光。如何解決好這個問題,2017年5月6日-7日,由清華大學(xué)主辦的第一屆全國鋰離子電池安全性技術(shù)研討會在北京召開,歐陽明高教授認(rèn)為,解決好動力電池?zé)崾Э匦枰甯?。這些說明,要解決好電動汽車上動力電池的安全,一是行業(yè)上下都必須要高度重視,二是要研發(fā)出技術(shù)指標(biāo)較高的系統(tǒng)(總成件),三有了這樣的系統(tǒng)以后,要積極配置到汽車上來。電池FPC小編將自己對動力電池安全智能系統(tǒng)及實例分析及建議,分享給大家,供大家參考。
一、動力電池安全隱患的誘因
動力電池是能源載體,說明其安全隱患誘因是客觀存在的。按照歐陽明高教授的總結(jié),大致可以分為三大類:
1)外部高溫會導(dǎo)致電芯防爆膜破裂,電解液噴出,會發(fā)生燃燒、起火。在外部高溫環(huán)境下, 電解液分解物與正極、負(fù)極發(fā)生反應(yīng),電芯隔膜將融化分解等導(dǎo)致內(nèi)部短路,電能量釋放也多會產(chǎn)生大量的熱量。
圖1 試驗數(shù)據(jù)示意圖
試驗數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)電池單體溫度達(dá)到135℃時,隔膜開始融化,電壓下降;150℃電池電壓快速下降,等溫度高達(dá)245℃時,隔膜完全崩潰。結(jié)論是,電池單體工作溫度在40℃~50℃之間是比較理想的。結(jié)論是,如果高于或低于這個溫度范圍都是不利于電池正常使用的。
2)動力電池內(nèi)部的雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹與收縮、析鋰等都有產(chǎn)生動力電池內(nèi)部短路的可能。由動力電池內(nèi)部雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程的機理,目前全世界專家還在研究階段。
結(jié)論是,目前要做到消除動力電池內(nèi)部的雜質(zhì)等誘因,理論上還沒有找到可行的辦法。
3)汽車機械受損如強烈的撞擊、翻車、擠壓也是無法規(guī)避的客觀事實。機械受損會導(dǎo)致電池發(fā)生機械損壞,在很短的時間內(nèi),會發(fā)生動力電池短路。結(jié)論是,汽車是運動物體,動力電池的機械受損也是一個大概率事件。
二、動力電池發(fā)生安全事故的人為因素
1)由于充電操作不當(dāng)導(dǎo)致外部短路。導(dǎo)致電池放電電流很大,會使電芯發(fā)熱,高溫會使電芯內(nèi)部的隔膜收縮或完全壞壞,造成內(nèi)部短路,因而爆炸。結(jié)論是,進行培養(yǎng),加強管理是一個十分必要的基礎(chǔ)管理工作。
2)電池過充導(dǎo)致正極的鋰過度放出會使正極的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。而放出的鋰過多也容易無法插入負(fù)極中,也容易造成負(fù)極表面析鋰,而且,當(dāng)電壓達(dá)到4.5V以上時,電解液會分解生產(chǎn)大量的氣體,從而導(dǎo)致電池鼓脹,嚴(yán)重的話甚至?xí)盁熎鸹?。結(jié)論是,要通過聲光等措施要能及時告知要告訴操作人員,同時技術(shù)措施立即到位。要能杜絕這個行為的發(fā)生。
3)過放會導(dǎo)致電池正極材料分子結(jié)構(gòu)損壞,從而導(dǎo)致充不進去電。結(jié)論是,要通過聲光等措施要能告知要告訴操作人員,同時技術(shù)措施上,要能杜絕這個行為的發(fā)生。
4)IP防護等級不達(dá)標(biāo),導(dǎo)致電池內(nèi)部水份含量過高。水份可以和電芯中的電解液反應(yīng),生產(chǎn)氣體,充電時,可以和生成的鋰反應(yīng),生成氧化鋰,使電芯的容量損失,易使電芯過充而生成氣體,水份的分解電壓較低,充電時很容易分解生成氣體,當(dāng)這一系列生成的氣體會使電芯的內(nèi)部壓力增大,當(dāng)電芯的外殼無法承受時,電芯就會爆炸。
三、動力電池安全安防范措施
1)BMS管理系統(tǒng)要具備自動規(guī)避人為不當(dāng)操作的功能。
2)動力電池單體生產(chǎn)中過程控制措施到位。主要是要保障單體質(zhì)量要高、一致性要高。電池包的IP等級要符合電動汽車的技術(shù)要求;
3) BMS管理系統(tǒng)要能控制電動系統(tǒng)環(huán)境溫度,要保持適宜,具有自動調(diào)節(jié)功能;
4)低溫環(huán)境下,BMS管理系統(tǒng)要能對動力系統(tǒng)自動加溫,對即將發(fā)生燃燒時(或爆炸時刻),要能自動消除這些;
四、動力電池安全智能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
動力電池安全智能系統(tǒng)分為三部分:a)電池系統(tǒng);b)熱管理系統(tǒng);c)自動滅火系統(tǒng)。
圖2 動力電池安全智能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
1)熱管理系統(tǒng)的基本功能
a)電動汽車正常后,電池始終保持在最佳工作溫度區(qū)間;
b)低溫環(huán)境下,借力充電槍(220-380網(wǎng)電)給車載電池加熱至電池正常工作問題;
c)規(guī)避杜絕虛充或者過充;
d)能在-40度極寒條件下,確保電動汽車能正常工作。
圖3 熱管理系統(tǒng)基本部件
2)自動滅火系統(tǒng)基本功能
a)電池箱溫度過高或者燃燒時,自動聲光報警,通知乘員疏散;
b)將藥劑罐內(nèi)藥劑迅速噴入電池箱內(nèi)進行滅火,整個過程不超過0.2秒。
c)整個滅火結(jié)果,不給電池系統(tǒng)造成新?lián)p傷。
五、動力電池安全智能系統(tǒng)工作原理
1)熱管理系統(tǒng)的基本原理
采用液體冷卻技術(shù),將專業(yè)設(shè)計的換熱板放置于電池箱內(nèi),在主機內(nèi)對液體介質(zhì)進行加熱/冷卻,再將液體送入換熱板內(nèi),通過內(nèi)部流轉(zhuǎn)的液體進行循環(huán)換熱。技術(shù)指標(biāo)要求:
a)電池溫度精確控制在(±1℃);
b)溫控速度在極熱或極冷情況下能20分鐘達(dá)到動力電池的正常范圍。
c)體積尺寸大小必須控制在整車能接受范圍以內(nèi)。
可以實現(xiàn)實現(xiàn)的基本目標(biāo):
a)防止電池溫度過高,減少電化學(xué)腐蝕,避免熱失控導(dǎo)致燃燒或爆炸;杜絕電池溫度過高所引起的自燃;
b)防止低溫充電時,電池易出現(xiàn)瞬間電壓過充現(xiàn)象,導(dǎo)致短路;
c)防止低溫過充時導(dǎo)致的電池不可逆損傷。
2)自動滅火系統(tǒng)的基本原理
在溫度(熱量)傳感器信號發(fā)生時,ECU發(fā)出指令,執(zhí)行元件開始工作,滅火劑立即到達(dá),遇熱迅速氣化,吸收大量熱量,達(dá)到快速降溫的作用,且在電池箱底部形成積液,可持續(xù)降溫。技術(shù)指標(biāo)要求:
a)常溫常壓儲存下,滅火劑有效期達(dá)10年;
b)滅火劑藥劑遇熱氣化,沉滯于電池箱內(nèi),迅速稀釋氧含量,在非閉空間里,亦可達(dá)到窒息滅火。
c)滅火劑能捕捉自由基,持續(xù)快速打斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng),形成保護層,阻止復(fù)燃。
d)滅火劑介電強度大于60KV(不導(dǎo)電),且無腐蝕性,不會對電池造成任何傷害;
e)藥劑在自然狀態(tài)下5天自然分解,噴放后無需對電池箱做任何清潔工作,同時其分解物對環(huán)境無任何污染。臭氧層損耗值(ODP)為0,溫室效應(yīng)值(GWP)為1。
六、總結(jié)及建議
1)電動客車配置“動力電池安全智能系統(tǒng)”將是強制安全標(biāo)準(zhǔn)的要求?!稒C動車運行安全技術(shù)條件》(GB7258-20&TImes;&TImes;)代替GB 7258-2012)(征求意見稿)的12.10.4條款明確要求:“車廠大于等于6m純電動客車、充電式混合動力客車、燃料電池汽車應(yīng)設(shè)置具有向駕駛?cè)藛T報警功能的電池箱專用自動滅火裝置。”客車整車企業(yè)必須加強對動力電池安全智能系統(tǒng)的研究。
2)電池安全智能系統(tǒng)理應(yīng)向高集成度方向發(fā)展。純電動客車的驅(qū)動電機也要保持一定工作溫度,客車車身里也要求自動滅火裝置??蛙?yán)锊豢赡芘渲霉δ芑疽恢碌亩嗵椎难b置。最好是一整套總成,體積要小。
3)滅火劑,一是絕緣度等級要高,二是滅火劑完全滅火功能后,能自動自然分解,三是滅火劑完全滅火功能后,在動力電池箱上不能有遺留物。
4)有了“動力電池安全智能系統(tǒng)”,電動汽車安全等級會大大提高,對電動汽車普及應(yīng)用,無疑是”功在整車、零部件廠家,利在老百姓“的大好事,大家都要積極推動它的應(yīng)用。
5)中國電動汽車發(fā)展速度會很快的,安全措施(技術(shù))必須要跟上。動力電池安全智能系統(tǒng)理應(yīng)一個核心技術(shù),一是持續(xù)提高質(zhì)量,二是有序地配置到車來,一定要消除老百姓對電動汽車安全性懷疑心理。