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中汽研 | 動力電池動態(tài)接觸碰撞損傷研究

2021-11-23 18:45:09·  來源：電動學(xué)堂  作者：卜祥軍等  
　
文章來源：1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司引言動力電池作為新能源汽車的關(guān)鍵部件，有著高能量密度、可自燃、可爆炸等危
文章來源：1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司
引言
動力電池作為新能源汽車的關(guān)鍵部件，有著高能量密度、可自燃、可爆炸等危險特點。新能源電動汽車遭受高速碰撞時，電池系統(tǒng)遭受強力沖撞，汽車車身變形導(dǎo)致電池包擠壓變形，電池組塊相互擠壓、疊落，損傷破裂，擠出電解液等，會引起短路、著火，甚至爆炸，全車燒毀。碰撞時，在電池包的三元梩電池內(nèi)部隔膜會受到嚴(yán)重破壞，線路極易出現(xiàn)短路、著火，并發(fā)生爆炸。動力電池發(fā)生碰撞后存在極大的安全隱患，發(fā)生過多起電動汽車碰撞后起火燃燒，危及駕乘人員安全的事故，這也成為整車廠家和大眾關(guān)注的焦點。
在現(xiàn)有的動力電池測試評價標(biāo)準(zhǔn)體系中，模擬動力電池碰撞實際場景的實驗室級安全測評項目包括模擬碰撞測試、機械沖擊測試和擠壓測試三項，模擬碰撞測試和機械沖擊測試分別是以夾具承載動力電池系統(tǒng)的方式開展水平或垂直方向沖擊測試，屬于非接觸式動態(tài)碰撞；目前針對機械損傷評價研究多為利用低速靜態(tài)擠壓造成的機械損傷測試，屬于接觸式靜態(tài)碰撞。在該種研究下分析了不同損傷形變對動力電池安全性造成的影響?，F(xiàn)實中出現(xiàn)較多的動態(tài)接觸碰撞場景，目前國內(nèi)外在相應(yīng)領(lǐng)域的研究中還有較大空白。因此動力電池動態(tài)接觸碰撞的測試研究具有很強的現(xiàn)實意義。通過對動力電池動態(tài)接觸碰撞的測試研究，找出關(guān)鍵的碰撞參數(shù)，探究有效的測試方案，搭建可行的測試臺架，提供動力電池動態(tài)接觸碰撞測試的解決方案。通過對動力電池動態(tài)接觸碰撞進行研究，可以根據(jù)不同程度的碰撞損傷研究顯示條件下動力電池在不同損傷程度下的安全邊界。
本研究在測試樣品的選擇上，主要圍繞動力電池最基本組成單元的單體進行研究，從最基本的層面探討動態(tài)接觸碰撞對動力電池安全性的影響。
1實驗設(shè)計
1.1實驗裝置
實際事故情況中動力電池會受到不同程度的碰撞，造成不同程度的形變損傷，在此以形變深度作為控制變量進行不同程度損傷的動態(tài)碰撞測試對動力電池單體進行分析研究。據(jù)此設(shè)計如下的實驗裝置。
動態(tài)接觸碰撞裝置采用重力加速方式完成碰撞頭的加速過程，通過相應(yīng)限位裝置實現(xiàn)對碰撞形變的可控調(diào)節(jié)，從而對處于固定狀態(tài)的動力電池實現(xiàn)動態(tài)接觸碰撞。該動態(tài)碰撞測試裝置主要由裝置本體、碰撞小車和固定裝置組成，可以對現(xiàn)實中動態(tài)碰撞進行模擬實驗，如圖1。

電池安裝位置有剛性限位裝置，通過調(diào)節(jié)尺寸實現(xiàn)碰撞位置的控制和調(diào)節(jié)，可以進行不同碰撞形變的測試。碰撞固定裝置有可調(diào)節(jié)平板，可以實現(xiàn)動力電池碰撞位置的調(diào)節(jié)，如圖2所示。

鑒于實際碰撞中可能形成的沖擊并考慮到外部殼體的防護作用門］，碰撞頭以半球圓柱的形式安裝在小車前端，進行碰撞對應(yīng)，該裝置可以根據(jù)不同需求進行調(diào)整，試驗后裝置自帶的牽引伺服電動機會將碰撞小車?yán)氐较鄳?yīng)的出發(fā)位置，并使用電磁脫鉤器進行試驗啟動。
1.2實驗方法
將準(zhǔn)備好的測試對象固定在臺面上，通過調(diào)節(jié)高度控制裝置，使測試對象中心與碰撞頭中心位于同一水平面；采用伺服電動機帶動碰撞小車，通過位移傳感器控制設(shè)置值，到達位移值時通過限位開關(guān)停止。脫扣器采用電磁閥控制，通過電磁閥拉動脫扣器，保證小車固定，后面實施脫扣。
調(diào)節(jié)安裝碰撞位置限定裝置，將碰撞限位調(diào)節(jié)至對應(yīng)的形變深度，系統(tǒng)通過電磁閥打開脫鉤器，碰撞小車沿軌道下滑，到達碰撞位置，碰撞頭與測試樣品接觸，完成碰撞。同時針對電池溫度與電壓進行監(jiān)測，得到動態(tài)接觸碰撞中全過程的各項數(shù)據(jù)。
2數(shù)據(jù)與分析
2.1樣品參數(shù)
從形式上看，當(dāng)前國內(nèi)主流裝機占比居多的為方形電池，從體系看，三元與磷酸鐵捚電池一直是動力電池材料體系的主流，而相對磷酸鐵梩電池，三元體系電池能量密度更高而更受青昧，同時其安全性也更受到各方面的關(guān)注。因此本研究選取某款三元捚離子方形電池作為研究對象，從而使結(jié)果更具代表性與實際意義。本研究選擇的樣品參數(shù)見表1。

針對方形電池的結(jié)構(gòu)特點及其在電池內(nèi)部排列方式，分別選擇在動力電池正極與負(fù)極的位置作為動態(tài)接觸碰撞點，從5％損傷深度開始，以5％損傷深度增加，直至電池發(fā)生起火爆炸。在實際測試中，負(fù)極進行了損傷深度為5%、10%、15%、20%的碰撞測試，正極進行了5%、10%、15%、20%、25%、30%、35％的碰撞測試，試驗結(jié)果見圖3,將試驗結(jié)果匯總，見表2。


在試驗過程中負(fù)極沖擊進行到15％損傷形變，即15mm時發(fā)生起火爆炸，正極進行到30％形變損傷，即30mm時發(fā)生起火爆炸。同時為進一步研究分析，分別在起火爆炸后提高5％的損傷深度各進行了一次測試。
2.2數(shù)據(jù)分析
2.2.1負(fù)極動態(tài)碰撞溫升分析
測試過程中監(jiān)控了正極、負(fù)極、泄壓閥、電池中心、電池底面五個位置的溫度情況。針對負(fù)極位置的動態(tài)接觸碰撞溫升，測試各點溫升及溫度情況，如圖4所示。

結(jié)合圖4a與h,在未起火爆炸情況下的電池碰撞時刻，電池各監(jiān)控位置均有不同程度溫升。從圖4a中可見，在損傷深度5％的條件下電池負(fù)極極耳附近出現(xiàn)了6~7K的溫升，其他部分有2~3K的溫升。從圖4h中可見，在損傷深度為10％條件下，負(fù)極極耳處的溫升較為明顯，達到36.5K,同時位于正負(fù)極之間的泄壓閥位置也有19.SK的溫升。電池其他部分有2~3K的溫升，但并沒有負(fù)極極耳與泄壓閥處顯著。
圖4c反映了15％損傷深度時電池發(fā)生起火爆炸的各點溫度情況。碰撞起火后泄壓閥處溫度在碰撞后迅速升至597.1°C，同時負(fù)極極耳溫度也迅速升至462.1飛電池其他各監(jiān)控點溫度也迅速上升至100°C以上。圖4d中反映了20％損傷深度時電池發(fā)生起火爆炸各點的溫度情況。負(fù)極極耳溫度經(jīng)歷兩個峰值，第一個是623.5°C,第二個是1064.6°C。泄壓閥溫度達到了941.2°C。其他各監(jiān)控溫度點溫度也均達到300°C以上。通過分析數(shù)據(jù)可知，20％損傷深度情況下的各點溫度要遠高于15％損傷深度情況，其中負(fù)極極耳溫度極值更是相差超過600K,這與實際實驗中20%損傷深度爆炸更加劇烈的情況相吻合。
2.2.2正極動態(tài)碰撞溫升分析
正極位置的動態(tài)接觸碰撞測試各點溫升及溫度監(jiān)控情況如圖5所示。
結(jié)合圖5a~e,在未起火爆炸的情況下電池碰撞后，電池各溫度監(jiān)控點均出現(xiàn)了不同程度的溫升，以碰撞位置處正極極耳附近的溫升最為明顯。從5%~25％形變，正極極耳附近的最高溫升分別是2.lK、4.lK、4.8K、10.2K和14.6K。溫度逐漸上升，同時泄壓閥附近溫度電池碰撞時刻，電池各監(jiān)控位置均有不同程度溫升。從圖5a中可見，在損傷深度5％的條件下電池正極極耳處僅有2~3K的溫升。隨著碰撞損傷形變的加深，電池各點溫升也成正相關(guān)升高，但溫升程度遠小于負(fù)極處受到碰撞產(chǎn)生的溫升。在碰撞形變達到25％時，正極極耳附近最高溫度也只有不到15K,如圖5e所示。與負(fù)極極耳受到?jīng)_擊類似的是泄壓閥的溫升也有一定幅度的上升，而其他監(jiān)控點溫升幾乎均沒有超過3K。在相同程度損傷形變的條件下，正極極耳附近受到?jīng)_擊造成的電池溫升小于負(fù)極極耳受到?jīng)_擊的情況。
圖5f反映了30％損傷深度時電池發(fā)生起火爆炸的各點溫度情況，可以看出正極極耳在沖擊之后溫度上升到458.4°C,泄壓閥溫度也上升至503.8°C,其他各監(jiān)控點溫度也升至400K以上。圖5g反映了35％損傷深度時電池發(fā)生起火爆炸時各點的溫度情況，電池正極極耳溫度升高到607.2°C,泄壓閥溫度達到1095.1°C,負(fù)極極耳也達到924.7°C。各溫度點溫度均高于25％損傷深度時的溫度值，同時其起火爆炸的猛烈程度也更甚于25％損傷深度時的狀況。

綜合正負(fù)極動態(tài)接觸碰撞的溫升數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，相比靜態(tài)擠壓損傷，動態(tài)接觸碰撞對電池造成的破壞性更大。國標(biāo)中擠壓的形變要求是30％形變量下不爆炸、不起火，而在動態(tài)接觸碰撞中電池在30％形變量的深度損傷中發(fā)生了爆炸。因此動態(tài)碰撞帶來的沖擊要甚于靜態(tài)擠壓損傷的危害。
同時在相同的損傷深度下，正極附近受到的沖擊所引起的電池整體的溫升要小于對負(fù)極沖擊造成的溫升，負(fù)極在10％的損傷深度下，溫升就已經(jīng)超過465103K,這表明負(fù)極附近受到動態(tài)沖擊更容易引起電池動態(tài)沖擊，造成的危害隱患要大于正極。同時可以看出，隨著損傷深度加大，電池?zé)崾Э氐姆磻?yīng)程度也更加劇烈，其溫度甚至可以達到1000°C以上。而較低損傷深度引起的爆炸，其最高溫度可能只有500~600°C。從模組甚至電池系統(tǒng)的視角看，不同程度的熱失控可能會造成不同程度的熱蔓延，因此動態(tài)接觸碰撞也可以作為觸發(fā)動力電池系統(tǒng)熱擴散的一種方法。這種方法也合乎實際發(fā)生碰撞事故中的場景。而電池溫升與損傷深度成正相關(guān)，因此可以進一步考慮其作為動態(tài)接觸碰撞的預(yù)警監(jiān)控價值。
2.3數(shù)據(jù)分析
電壓分析
監(jiān)控不同損傷形變下電池的電壓變化，得到負(fù)極動態(tài)接觸碰撞電壓仙線簇與正極動態(tài)接觸碰撞電壓曲線簇，如圖6所示。

綜合圖6a與h可以得到，當(dāng)電池未發(fā)生起火爆炸時，電池電壓幾乎不會發(fā)生下降。而當(dāng)碰撞損傷使電池起火爆炸時，電池會有迅速的電壓下降。在起火爆炸的情況下，相比正極受到動態(tài)沖擊后電壓的迅速下降，負(fù)極受到動態(tài)沖擊后電壓下降速率稍緩慢。由此可見，單純將電壓作為監(jiān)控電池是否受到動態(tài)碰撞是不合適的，存在電池受到?jīng)_擊后已經(jīng)產(chǎn)生了形變但電池電壓依然保持平穩(wěn)的可能性。因此相比于對電池溫度的監(jiān)控，如果單純將電池電壓作為監(jiān)控電池安全水平的信號是存在較大隱患的。
3結(jié)論
本文通過搭建動力電池動態(tài)接觸碰撞平臺，設(shè)計了動力電池動態(tài)接觸碰撞的測試方法，同時選擇一款受眾體系廣泛的三元方殼電池單體作為研究對象，通過對動力電池受到動態(tài)接觸碰撞后溫度與電壓變化進行分析，探討了動力電池動態(tài)接觸碰撞后的損傷及安全性。研究表明，首先，相比國標(biāo)中傳統(tǒng)靜態(tài)擠壓方式對動力電池提出的30％形變量不起火爆炸的要求，動態(tài)接觸碰撞對動力電池造成的損傷在15%的損傷形變下就可能引發(fā)電池?zé)崾Э貜亩斐善鸹鸨ǎ虼速N近實際碰撞情況的動態(tài)接觸碰撞對動力電池造成的危險隱患更大。其次，在對碰撞位置的研究中可以看出，相比正極，負(fù)極附近受到的動態(tài)碰撞更容易在較小的損傷形變下導(dǎo)致電池?zé)崾Э夭⒁l(fā)起火爆炸。再者，動力電池的溫升比電壓更適合作為考察電池受到動態(tài)碰撞后存在熱失控風(fēng)險的表征參數(shù)與預(yù)警信號。同時在較低損傷深度的條件下，電池相應(yīng)受到損傷的部分會產(chǎn)生與損傷深度正相關(guān)的溫升，但在電池未發(fā)生熱失控的條件下，電池電壓并不會發(fā)生明顯變化。
與此同時，動態(tài)接觸碰撞也可作為一種引發(fā)動力電池單體熱失控以及動力電池模組或系統(tǒng)熱擴散的全新觸發(fā)方式，該種方式也更貼近于實際交通碰撞事故中的現(xiàn)實場景，因此能更從實際角度出發(fā)考察動力電池的安全性。
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