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基于熱擴(kuò)散安全的車用動(dòng)力電池箱開(kāi)發(fā)研究

2021-03-03 11:15:17·  來(lái)源：Battery Insight view  作者：battery 風(fēng)清揚(yáng)  
　
點(diǎn)擊藍(lán)字丨關(guān)注我們 本文分析了高鎳三元鋰離子動(dòng)力電池的熱擴(kuò)散表現(xiàn)，闡述動(dòng)力電池箱體的開(kāi)發(fā)，提出基于熱擴(kuò)散安全要求的、合理有效的開(kāi)發(fā)體系和批量技術(shù)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 ? l動(dòng)力電池的熱失控和熱擴(kuò)散 ? (1)熱失控和熱擴(kuò)散涵義。電池單體放熱連鎖反應(yīng)
本文分析了高鎳三元鋰離子動(dòng)力電池的熱擴(kuò)散表現(xiàn)，闡述動(dòng)力電池箱體的開(kāi)發(fā)，提出基于熱擴(kuò)散安全要求的、合理有效的開(kāi)發(fā)體系和批量技術(shù)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 
 
l動(dòng)力電池的熱失控和熱擴(kuò)散
(1)熱失控和熱擴(kuò)散涵義。電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控持續(xù)上升的現(xiàn)象稱為熱失控，電池包或系統(tǒng)內(nèi)由一個(gè)電池單體熱失控引發(fā)的其余電池單體接連發(fā)生熱失控的現(xiàn)象稱為熱擴(kuò)散。動(dòng)力電池安全問(wèn)題的本源是電池單體熱失控，當(dāng)一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控后，相鄰單體受到影響也會(huì)相繼發(fā)生熱失控，進(jìn)而導(dǎo)致電池包或系統(tǒng)發(fā)生熱擴(kuò)散，最終引發(fā)起火、爆炸等安全事故，嚴(yán)重威脅乘員生命安全，因此，熱失控和熱擴(kuò)散是目前最受矚目、亟需解決的鋰離子動(dòng)力電池安全問(wèn)題。
(2)新國(guó)標(biāo)對(duì)車用動(dòng)力蓄電池的熱擴(kuò)散安全要求。國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)于2020年5月12日發(fā)布了強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)GB38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》，以替代原推薦性國(guó)標(biāo)GB/T31467.3-2015，定于2021年1月1日正式實(shí)施。新國(guó)標(biāo)在“熱穩(wěn)定”一節(jié)中增加了“熱擴(kuò)散”條目，要求電池包或系統(tǒng)按照附錄C進(jìn)行熱擴(kuò)散乘員保護(hù)分析和驗(yàn)證。規(guī)定了電池包或系統(tǒng)在由于單個(gè)電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散、進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)之前5min應(yīng)提供一個(gè)熱事件報(bào)警信號(hào)。
(3)新國(guó)標(biāo)對(duì)熱擴(kuò)散試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的規(guī)定。附錄C規(guī)定了制造商可以在針刺觸發(fā)熱失控方法或加熱觸發(fā)熱失控兩種方法中選擇一種，也可自行選擇其他方法來(lái)觸發(fā)熱失控。熱失控觸發(fā)判定條件：（a）觸發(fā)對(duì)象產(chǎn)生電壓降，且下降值超過(guò)初始電壓的25%;(b)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到制造商規(guī)定的最高工作溫度；（c）監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫升速率dT/dt≥1°C/s，且持續(xù)3s以上。當(dāng)(a)和(c)或者(b)和(c)發(fā)生時(shí)，判定發(fā)生熱失控。如果采用推薦的方法作為熱失控觸發(fā)方法，且未發(fā)生熱失控，為了確保熱擴(kuò)散不會(huì)導(dǎo)致車輛乘員危險(xiǎn)，需證明采用如上兩種推薦方法均不會(huì)發(fā)生熱失控。

2高鎳三元鋰離子電池的熱擴(kuò)散表現(xiàn)
鋰離子電池從外部形狀可分為圓柱電池、方形電池和軟包電池，其中方形電池單體由于散熱好、易成組設(shè)計(jì)等特點(diǎn)應(yīng)用較多。依據(jù)電池正極材料的不同，鋰離子電池可分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元材料電池等。鎳鈷錳酸鋰三元材料目前有NCM111（鎳錳鈷比例為1:1:1)、NCM523、NCM622和NCM811等幾種，其中鎳是主要的活性元素，帶來(lái)高比容量，鈷帶來(lái)良好的循環(huán)性能，錳帶來(lái)良好的安全性，因此鎳含量高和錳含量降低均不利于熱穩(wěn)定性。三元鋰離子電池對(duì)提升電池包能量密度高和整車?yán)m(xù)航里程非常有利，近年來(lái)逐步取代磷酸鐵鋰成為純電動(dòng)車的主要選擇，其中有裝備了NCM811高鎳三元?jiǎng)恿﹄姵氐募冸妱?dòng)汽車，其NEDC綜合工況續(xù)航里程已經(jīng)突破700km。

2.1高鎳三元鋰離子電池單體的原理和熱穩(wěn)定性
(1)電化學(xué)原理。鋰離子動(dòng)力電池單體主要包括正極、負(fù)極、隔膜以及電解液。充放電循環(huán)時(shí)，錘離子Li＋分別在正負(fù)極上發(fā)生”嵌入－脫嵌“反應(yīng)，Li＋便在正負(fù)極之間穿越隔膜來(lái)回移動(dòng)。圖1顯示了充電過(guò)程，Li＋從正極脫嵌，移動(dòng)穿越隔膜嵌入負(fù)極，此時(shí)負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，外部電路中電子e-流入負(fù)極；放電時(shí)與此相反，Li＋從負(fù)極脫嵌，移動(dòng)穿越隔膜嵌入正極，此時(shí)正極處于富鋰狀態(tài)，而外部電路中電子e-經(jīng)負(fù)載流入正極。NCM811高鎳三元鋰離子電池的正極材料為鎳鈷錳酸鋰(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)，負(fù)極材料為石墨，其正負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)如下表達(dá)式：
(2)熱穩(wěn)定性。三元正極材料是包含鎳鈷錳的聚合物，在達(dá)到一定溫度時(shí)會(huì)發(fā)生分解，相對(duì)于磷酸鐵鋰材料需在800°C左右分解，三元材料在200°C左右就會(huì)發(fā)生分解，并且三元材料的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，會(huì)釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)。高鎳三元鋰離子電池單體熱穩(wěn)定性較差。一旦發(fā)生針刺或加熱等觸發(fā)條件，電池單體熱失控不可避免。需要建立模組和電池包層面的熱擴(kuò)散試驗(yàn)，以進(jìn)一步考察其熱擴(kuò)散表現(xiàn)。

2.2高鎳三元鋰離子動(dòng)力電池模組的熱擴(kuò)散表現(xiàn)
多個(gè)方形電池單體由側(cè)板和端板將其組合在一起，通過(guò)串并聯(lián)組成電池模組。該箱蓋為
1.2mm厚度的鋁合金沖壓成型制成，箱體為鋁合金擠出型材焊接而成。如圖2所示，在模組中選擇4＃電池單體作為加熱對(duì)象來(lái)觸發(fā)熱失控，加熱裝置功率為500W，采用外電源接通加熱，熱失控觸發(fā)門檻溫度設(shè)置為65°C。加熱10min以后，單體電壓急劇下降，溫度迅速上升，此時(shí)發(fā)生熱失控，外部表現(xiàn)為由箱體壓力平衡閥噴出煙霧，同時(shí)鋁合金箱蓋上表面發(fā)生明顯鼓脹，隨后4＃電池單體上方區(qū)域出現(xiàn)明火并伴有高亮可燃物質(zhì)噴發(fā)，導(dǎo)致箱蓋燒穿。試驗(yàn)結(jié)束以后整個(gè)觸發(fā)模組上方的箱蓋出現(xiàn)大面積不規(guī)則缺口，該區(qū)域的鋁合金箱蓋經(jīng)歷金屬固體熔化再固化兩次相變，形成了不規(guī)則鋁合金凝固塊狀物。熱電偶溫度傳感器監(jiān)測(cè)到觸發(fā)單體泄壓閥處出現(xiàn)1000°C以上高溫。發(fā)生熱失控以后，迅速產(chǎn)生大量高溫氣體和噴發(fā)物，箱體內(nèi)壓力急劇升高，高溫物質(zhì)加熱鄰近電池單體，引發(fā)其他單體相繼發(fā)生熱失控，形成了熱失控蔓延，未滿足5min內(nèi)無(wú)危險(xiǎn)事件的防護(hù)要求。
 
3基于熱擴(kuò)散安全的動(dòng)力電池箱開(kāi)發(fā)
車用動(dòng)力電池箱一般由電池模組、電池管理模塊、箱蓋、箱體及電氣附件通過(guò)機(jī)械和電氣連接組成。圖3所示的典型動(dòng)力電池箱包括8個(gè)高鎳三元鋰離子電池模組、分布式電池管理模塊、箱蓋和箱體，其中箱蓋為鋁合金沖壓成型件，箱體由鋁合金擠出件和鋁合金高壓壓鑄橫梁通過(guò)焊接組成。所有模組均平躺布置，分別固定在箱體上的橫梁上，電池單體的橢圓形泄壓閥豎直方向上正對(duì)箱蓋。
由前文所述新國(guó)標(biāo)規(guī)定可知共有3種情形：(1)電池單體不發(fā)生熱失控，可判定滿足要求；（2)發(fā)生單體熱失控，但不發(fā)生熱擴(kuò)散，可判定滿足要求；（3）發(fā)生單體熱失控，也發(fā)生熱擴(kuò)散，但在5min內(nèi)電池包不起火不爆炸，可判定滿足要求。
 
對(duì)采用熱穩(wěn)定性較差的高鎳三元鋰離子電池的電池箱來(lái)說(shuō)，其電池單體在針刺短路或加熱條件下一定會(huì)起火爆炸，實(shí)際上被觸發(fā)單體及相鄰單體熱失控已經(jīng)發(fā)生，因此不可能實(shí)現(xiàn)(1)和(2)兩種情況，即不發(fā)生單體熱失控或單體熱失控后不引發(fā)熱擴(kuò)散?；诟哝嚾囯x子動(dòng)力電池發(fā)生熱失控、進(jìn)而引發(fā)熱擴(kuò)散的情形下，如何通過(guò)一系列措施來(lái)疏導(dǎo)高溫可燃物并對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行防護(hù)，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部不爆炸、外部不著火，確保動(dòng)力電池箱在5min內(nèi)不發(fā)生危險(xiǎn)事件，最終避免整車層面的起火燃燒，需要在整個(gè)電池箱系統(tǒng)層面構(gòu)建合理的開(kāi)發(fā)體系。
 
3.1基于熱擴(kuò)散安全的動(dòng)力電池箱開(kāi)發(fā)體系
 
要滿足動(dòng)力電池箱的熱擴(kuò)散安全要求，必須從系統(tǒng)的角度來(lái)考慮應(yīng)對(duì)措施，先弄清當(dāng)前電池箱的熱擴(kuò)散表現(xiàn)，然后從電池單體和模組、預(yù)警控制策略、箱蓋箱體結(jié)構(gòu)3個(gè)方面著手，同時(shí)基于可制造性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)施進(jìn)度選擇合適的方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定批量方案，建立如圖4所示的基于熱擴(kuò)散安全的動(dòng)力電池箱開(kāi)發(fā)體系。
(1)電池單體和模組。電池單體的泄壓閥設(shè)計(jì)、電池單體之間的絕緣隔熱、模組蓋板上方的絕緣隔熱等有利于熱擴(kuò)散安全。由于正極材料對(duì)電池單體熱失控表現(xiàn)起決定性作用，采用含鎳比例較低，如NCM523和NCM111等三元電池單體的電池箱熱擴(kuò)散安全表現(xiàn)會(huì)更好，但這會(huì)由于模組尺寸及其固定方式等不同引起相關(guān)匹配更改，在相同電池箱重量情況下整車層面要損失一定的續(xù)航里程。單體和模組選型以及整車?yán)m(xù)航里程目標(biāo)要在項(xiàng)目前期方案布置時(shí)考慮。
(2)預(yù)警控制策略。通過(guò)優(yōu)化預(yù)警控制策略提升熱擴(kuò)散安全表現(xiàn)，在觸發(fā)模組熱失控開(kāi)始到電池箱出現(xiàn)著火的時(shí)間間隔穩(wěn)定的前提下，越早發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提供給乘員逃生的時(shí)間越長(zhǎng)，至少要達(dá)到5min。預(yù)警控制策略可以通過(guò)電池電壓下降幅度、電池最高溫度閥值、電池溫度升高速率3個(gè)變量結(jié)合控制邏輯，盡早準(zhǔn)確地判斷熱失控，而不是僅采用國(guó)標(biāo)推薦的電壓下降幅度加溫度升高速率或電池最高溫度閥值加電池溫度升高速率來(lái)判斷。
(3)箱蓋箱體結(jié)構(gòu)。采用隔熱材料將電池模組與箱蓋隔離開(kāi)來(lái)，有利于防止高溫物質(zhì)噴射時(shí)將箱蓋燒穿，通過(guò)采用熔點(diǎn)更高的箱蓋材料、箱蓋上增加阻燃耐火材料、抬高箱蓋高度以增加與模組間隙等措施，以及在箱體上增加壓力平衡閥引導(dǎo)內(nèi)部壓力釋放，都可以延長(zhǎng)逃生時(shí)間。箱蓋箱體結(jié)構(gòu)措施實(shí)施進(jìn)度快、工藝簡(jiǎn)單、成本可控，是項(xiàng)目中后期階段優(yōu)先考慮的方法。

3.2基于熱擴(kuò)散安全的動(dòng)力電池箱優(yōu)化設(shè)計(jì)
在電池單體和模組已經(jīng)完成選型、預(yù)警控制策略確定的情況下，僅通過(guò)箱蓋箱體結(jié)構(gòu)的疏導(dǎo)和防護(hù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足系統(tǒng)的熱擴(kuò)散安全要求，主要包括幾個(gè)方面：
(1)箱蓋金屬材料。鋁合金材料具備輕量化優(yōu)勢(shì)，但其熔點(diǎn)不到700°C，而鋼材的熔點(diǎn)可達(dá)1300°C以上，因此箱蓋材料由鋁板改為鋼板更有利于防護(hù)?；跐駞^(qū)防腐蝕要求，鋁合金箱蓋無(wú)需表面處理，但鋼板箱蓋需要渡鋅和電泳。鋁合金箱蓋直接接觸箱體以后形成導(dǎo)通，可滿足等電位要求保證高壓安全。而箱蓋材料由鋁改為鋼后，需要在箱蓋內(nèi)側(cè)干區(qū)局部不帶電泳，以實(shí)現(xiàn)鋼箱蓋與箱體導(dǎo)通，滿足導(dǎo)通電阻小于10mΩ的要求。
(2)箱蓋阻燃耐火材料。有4種阻燃耐火涂層可供選擇，主要特性如表1所示。通過(guò)小樣測(cè)試發(fā)現(xiàn)，阻燃涂層A的阻燃性能最好、膨脹倍率最小，缺點(diǎn)是對(duì)帶電泳鋼板的粘附性能差，只適應(yīng)于涂敷在金屬光板上。阻燃涂層C的絕緣性能差，不適合用于電池箱內(nèi)的防護(hù)，易引發(fā)電池單體與箱蓋之間出現(xiàn)電弧導(dǎo)致?lián)舸枞纪繉覤的絕緣性能比阻燃涂層D更好，且膨脹倍率更小，更適合用于箱內(nèi)防護(hù)。其后的電池箱系統(tǒng)層面熱擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了阻燃涂層B在抵抗高溫噴發(fā)物質(zhì)能力上表現(xiàn)比阻燃涂層D更優(yōu)。
(3)箱蓋箱體空間布置。在不影響與車身等周邊零部件間隙要求和配合精度的前提下，增大箱蓋與模組的間距，有利于高溫可燃物質(zhì)有更多空間疏導(dǎo)。還可以在箱體上增加壓力平衡閥，亦有利于緩解壓力和引導(dǎo)壓力釋放。根據(jù)內(nèi)部高壓氣流壓力分布，在結(jié)構(gòu)和空間允許情況下，盡量將壓力平衡閥布置在內(nèi)部壓力較高的部位，形成有效的防爆排泄路徑，延緩電池箱著火時(shí)間點(diǎn)。
(4)絕緣措施。模組與金屬箱蓋之間一旦產(chǎn)生電弧會(huì)導(dǎo)致箱蓋擊穿，因此兩者之間的良好絕緣是熱擴(kuò)散安全的必要措施。可采用在模組上方布置金云母板的方法，一方面保證模組與箱蓋直接的良好絕緣，同時(shí)也隔離了模組和箱蓋，尤其是保護(hù)電池單體泄壓閥噴射出的高溫物質(zhì)對(duì)箱蓋的直接沖擊。另外根據(jù)需要，高壓銅排上方也可以布置金云母板以防出現(xiàn)電弧。
 
綜合考慮以上4個(gè)方面，鋁材和鋼材箱蓋配合不同阻燃涂層、箱蓋抬高2mm、在模組上安裝不同厚度云母板、增加1個(gè)壓力平衡閥，組合形成4個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。方案①是1.2mm鋁板上涂敷阻燃性能最好且膨脹率最小的阻燃涂層A；方案②是僅電泳鋼板；方案③是電泳鋼板上涂敷阻燃涂層D；方案④是電泳鋼板上涂敷膨脹率更低的新型阻燃涂層B。
3.3動(dòng)力電池箱優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)證
(1)熱擴(kuò)散試驗(yàn)。采用加熱觸發(fā)熱失控方法，采用與前文所述模組級(jí)別熱擴(kuò)散試驗(yàn)相同的加熱裝置和觸發(fā)位置，建立整個(gè)動(dòng)力電池箱系統(tǒng)層面的熱擴(kuò)散試驗(yàn)。先用未電泳的1.2mm厚鋼板箱蓋進(jìn)行試驗(yàn)，未通過(guò)原因并非是鋼板箱蓋抵抗高、壓高溫的能力問(wèn)題，而是由于電池模組與金屬箱蓋之間發(fā)生電弧導(dǎo)致箱蓋被擊穿。后續(xù)4種方案的熱擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果如表3所示：方案①即使增加了一個(gè)壓力平衡閥疏導(dǎo)，鋁板和阻燃涂層仍然不能抵抗高溫可燃物沖擊，熱失控20s燒穿著火；方案②可以抵抗高溫可燃物沖擊5min以上，但在無(wú)阻燃涂層隔熱情況下外部電泳碳化，第4min電泳涂層著火；方案③通過(guò)阻燃涂層的保護(hù)，可以延緩電泳碳化，使其在5min以內(nèi)不著火；方案④阻燃涂層對(duì)延緩電泳碳化更優(yōu)，防護(hù)時(shí)間達(dá)到10min以上，大幅超出國(guó)標(biāo)要求的5min?；诟敏敯粜院透L(zhǎng)逃生時(shí)間，選擇優(yōu)選方案④作為批量方案。
(2)序列試驗(yàn)。為保證動(dòng)力電池箱在全生命周期內(nèi)都具備安全可靠的使用性能，還需進(jìn)行序列試驗(yàn)驗(yàn)證（見(jiàn)圖5)，即同一個(gè)動(dòng)力電池箱經(jīng)歷溫度存放、溫度沖擊、機(jī)械沖擊、機(jī)械振動(dòng)、鹽霧試驗(yàn)、濕熱循環(huán)、短時(shí)浸水、溫差浸水等一系列連續(xù)試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)科目之后的參數(shù)檢查（包括電子電氣和氣密等）必須合格，全部科目試驗(yàn)完成后的參數(shù)測(cè)試和拆解檢查必須合格。該序列試驗(yàn)等效于整車強(qiáng)化道路耐久試驗(yàn)，相當(dāng)于用戶行駛10萬(wàn)公里。優(yōu)化方案④不僅通過(guò)了熱擴(kuò)散試驗(yàn)，也經(jīng)過(guò)序列試驗(yàn)驗(yàn)證成功，表明該方案安全可靠，可以從功能安全可靠的角度滿足批量方案要求。
 
對(duì)電泳鋼板箱蓋上涂覆阻燃涂層的方案④，也同步進(jìn)行了工業(yè)化可制造性評(píng)估。其關(guān)鍵工藝順序?yàn)殇摪鍥_壓成型、陰極電泳、切邊防護(hù)涂敷、阻燃涂層涂覆、發(fā)泡膠涂覆、膠在型線監(jiān)測(cè)和氣密性在線監(jiān)測(cè)，全部為自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高且零件產(chǎn)品質(zhì)量一致性高，適合作為工業(yè)化批量生產(chǎn)方案。
4結(jié)語(yǔ)
在新國(guó)標(biāo)強(qiáng)制要求車用動(dòng)力電池必須滿足熱擴(kuò)散安全的背景下，本文分析了高鎳鋰離子電池的熱擴(kuò)散表現(xiàn)，以系統(tǒng)的角度建立了動(dòng)力電池箱熱擴(kuò)散安全開(kāi)發(fā)體系，明確了從電池單體和模組、預(yù)警控制策略和箱蓋箱體結(jié)構(gòu)3個(gè)方面綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的開(kāi)發(fā)準(zhǔn)則。在電池單體和模組選型和預(yù)警策略已經(jīng)確定的情況下，可以通過(guò)更改箱蓋材料、增大箱蓋和模組間距、箱蓋涂敷具有阻燃絕緣性能的阻燃涂層、箱蓋模組之間布置云母板等措施滿足熱擴(kuò)散安全要求，該措施經(jīng)序列試驗(yàn)驗(yàn)證可以作為批最技術(shù)方案。
 
文章來(lái)源：上汽大眾汽車有限公司
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