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電車試驗：電池模組安全要求
2022-01-25 14:01:20· 來源：汽車測試網(wǎng)
一、電池模組環(huán)境要求電池模組生產(chǎn)車間環(huán)境溫度、濕度和粉塵級別應(yīng)有規(guī)范要求，并實時監(jiān)控。模組匯流排焊接工序粉塵級別應(yīng)控制在30 萬級以下。制造過程中應(yīng)防止
一、電池模組環(huán)境要求
電池模組生產(chǎn)車間環(huán)境溫度、濕度和粉塵級別應(yīng)有規(guī)范要求，并實時監(jiān)控。模組匯流排焊接工序粉塵級別應(yīng)控制在30 萬級以下。制造過程中應(yīng)防止由于設(shè)備或工藝原因引入金屬顆粒異物。
二、電池模組設(shè)計
1、材料安全
電池模組部件應(yīng)避免尖角設(shè)計，邊緣和表面應(yīng)控制毛刺和金屬浮粉，應(yīng)做表面防腐處理。
材料需要符合ROHS，對于客戶有特殊要求的應(yīng)識別如硫含量等。材料應(yīng)考慮防火、阻燃要求。
電氣連接部件需要考慮防腐蝕處理，防止長時間使用接觸電阻增大而導(dǎo)致發(fā)熱。與單體電池接觸部件選用耐電解液腐蝕的材料，應(yīng)考慮電解液泄漏后引發(fā)的絕緣失效等問題。
所有部件材料應(yīng)考慮整車或系統(tǒng)的可靠耐久性要求，或易于更換，達到整車或系統(tǒng)的壽命一致。
絕緣部件的材料選擇，應(yīng)考慮高溫環(huán)境對絕緣性的影響，確保在整車或系統(tǒng)工作最高溫度時的絕緣性。
對于栓接結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足整車環(huán)境要求。
2、機械安全
機械安全防護，設(shè)計時應(yīng)考慮擠壓、跌落、振動、沖擊、翻轉(zhuǎn)、碰撞等工況下防護結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品的防護，使產(chǎn)品能滿足功能要求、各類安全法規(guī)要求等。
機械可靠性設(shè)計要滿足整車設(shè)計壽命。應(yīng)充分考慮運輸、搬運和安裝的耐久和可靠性。
電池單體在使用過程中厚度會發(fā)生膨脹，模組設(shè)計應(yīng)根據(jù)電池單體性能，合理預(yù)留膨脹的空間，合理設(shè)計匯流排結(jié)構(gòu)。評估在長時間充放電循環(huán)或高溫存儲后，電池單體膨脹對模組框架的作用力。模組框架強度、緊固力、變形量滿足電池單體的膨脹需求同時滿足系統(tǒng)的需求。
模組應(yīng)考慮安全電壓防護設(shè)計，以便在制造、運輸或維修操作時起到保護，防止人員觸電及外部短路。
要考慮防呆設(shè)計。防止在生產(chǎn)、安裝、測試等過程中，出現(xiàn)因人員誤操作而導(dǎo)致的電池模組短路起火，人員電擊的事故。通常從機械防呆、顏色防呆、標(biāo)識防呆等方面考慮。
3、電氣安全
選用絕緣介質(zhì)強度較高的絕緣片保證模組的絕緣滿足設(shè)計目標(biāo)。耐壓至少滿足GBT 18384—2015 要求，考慮異常情況下電氣間隙、爬電距離在安全范圍。電池模組的絕緣電阻在不同溫濕度存儲后應(yīng)具有良好的可靠性。
設(shè)計應(yīng)充分考慮組裝、維修時帶來的短路風(fēng)險。
選擇合適的材料、尺寸及表面處理技術(shù)，以便保證過流能力及焊接的可靠性。連接器推薦滿足USCAR-2 和USCAR-37 要求。
電壓采樣線在近電池端應(yīng)設(shè)計過流防護。
模組金屬結(jié)構(gòu)框架設(shè)計成等電位體，避免形成電勢差對人體形成傷害。
模組輸出端在裝配完成后，應(yīng)滿足IPXXB 的要求。
采樣線束的裝配應(yīng)有防呆設(shè)計，避免錯誤安裝導(dǎo)致短路等事故發(fā)生。
采樣線采用耐高溫的結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免造成電池組內(nèi)部的二次短路事故。
匯流排應(yīng)設(shè)計緩沖結(jié)構(gòu)，降低振動等對焊點的拉扯。
4、熱安全
模組結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證電芯單體具有足夠的散熱面積，保證模組與熱管理系統(tǒng)間熱量傳遞滿足相應(yīng)散熱、加熱需求。電池單體散熱界面高度差配合導(dǎo)熱材料厚度維持在一個合理的公差范圍內(nèi)，保證和熱管理系統(tǒng)可靠的接觸。在壽命周期內(nèi)，能滿足導(dǎo)熱和散熱的設(shè)計要求,保證電池工作在理想溫度范圍。
導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度等參數(shù)能夠滿足模組散熱需求；保證電池單體與熱管理系統(tǒng)具有良好的熱傳遞路徑；導(dǎo)熱材料電氣絕緣性、防火等級滿足電池系統(tǒng)的安全要求。
溫度傳感器設(shè)置位置及數(shù)量應(yīng)能反應(yīng)不同工況下最高溫度和最低溫度要求，同時應(yīng)考慮溫度傳感器的精度、適用范圍及響應(yīng)時間。
熱擴散防護設(shè)計。模組設(shè)計應(yīng)考慮隔熱防火措施，延緩電池模塊中一只電池單體發(fā)生熱失控時，引燃周圍電池單體的時間。
電池系統(tǒng)內(nèi)分區(qū)域?qū)﹄姵啬＝M進行隔離，以減少熱失控傳遞的速度，為乘員爭取更長的逃生時間。
5、功能安全
電壓采樣準(zhǔn)確性。電壓采集至少包含每串電池電壓，電壓采集線束壓降及采樣芯片精度滿足電壓采樣的精度要求；電壓采樣及轉(zhuǎn)換傳輸?shù)臅r間要遠小于系統(tǒng)最小容錯時間；能夠檢測電壓采樣線束短路、斷線、范圍超限等故障。
溫度采樣準(zhǔn)確性。為了能夠及時了解電池模組的溫度狀態(tài)，溫度采集每個模組至少應(yīng)包含2 個溫度采集點，溫度采集回路采集精度滿足系統(tǒng)溫度采集精度要求；溫度采樣及轉(zhuǎn)換傳輸?shù)臅r間要遠小于系統(tǒng)容錯時間；能夠準(zhǔn)確識別溫度采樣的超范圍、短路、斷路等異常故障。
均衡控制準(zhǔn)確性。均衡電流設(shè)計滿足電池系統(tǒng)均衡需求，均衡控制指令能夠及時準(zhǔn)確執(zhí)行，并能夠準(zhǔn)確識別均衡控制回路的硬件及軟件故障，如均衡控制失效等異常故障等。
通信傳輸準(zhǔn)確性。模組的電壓及溫度能夠及時準(zhǔn)確傳遞給上級主控板，通信回路設(shè)計具備回路短路、斷線、異?；謴?fù)等通信冗余機制。
電磁兼容。模組采集線束應(yīng)盡量與高壓動力線束垂直，避免高壓動力傳導(dǎo)/輻射串?dāng)_；模組從控板應(yīng)能夠確保負(fù)載電磁環(huán)境下的抗擾特性，在施加抗擾過程中確保電壓采集、溫度采集、均衡、通信等功能的正常運行；同時，應(yīng)確保從控板在其工作過程中對外部其他部件的傳導(dǎo)及輻射干擾。
對于金屬外殼的模組通常應(yīng)設(shè)計良好的接地點，避免尖銳帶電體的尖端放電等。
三、電池模組制造
1、電池單體絕緣
針對殼帶電的電池單體使用絕緣材料通過包覆或噴涂等工藝實現(xiàn)有效的絕緣防護。絕緣前電池單體進行有效清潔，避免導(dǎo)電粉塵顆粒引入導(dǎo)致裝配電池單體間短路風(fēng)險產(chǎn)生。
絕緣過程必須確保按設(shè)計需求部位絕緣層的有效包覆，同時確保絕緣層不被劃傷，劃破。
2、模組組裝
模組組裝是將電池單體按照不同的串并聯(lián)方式，與框架或固定支架等配合安裝。
如膠水需要高溫加速固化時，應(yīng)優(yōu)化控制加熱溫度，避免組件在高溫下受損。
LMU（本地監(jiān)視單元Local Monitoring Unit，作為從板同單體電池直接連接）、BMS（電池管理系統(tǒng)Battery management system）或FPC（軟性印刷線路板Flexible Printed Circuit）安裝過程中，從人員防護、工作環(huán)境、工具使用方式，均需考慮靜電防護。
在模組裝配擠壓過程中，不能超過電芯所能承受的壓力，擠壓設(shè)備需要具備壓力監(jiān)控功能或設(shè)備設(shè)計選型保證壓力不超過電芯承受能力，避免電芯過度擠壓，造成的變形、漏液等安全問題出現(xiàn)。
對于軟包電池單體，模組組裝過程保證電芯極耳平面度要求，滿足焊接條件，保證鋁排連接的可靠性。
3、框架焊接
框架焊接要保證焊接后模組的框架結(jié)構(gòu)強度。
焊接時熔區(qū)及熱影響區(qū)不出現(xiàn)超出允收規(guī)格的焊接缺陷。管控焊渣飛濺，防止規(guī)格外異物進入模組內(nèi)，導(dǎo)致模組整體絕緣失效。
激光焊接要保證框架焊接強度和熔深要求。
4、匯流排連接
匯流排通過栓接、電阻焊、激光焊等方式將電芯進行串并聯(lián)。
采用激光焊接工藝，要注意對電芯極柱表面及匯流排去除氧化層和表面臟污。焊接時選用匹配的焊接參數(shù)，防止出現(xiàn)虛焊、焊漏等焊接不良。優(yōu)化設(shè)計焊接工裝，管控焊渣飛濺，防止規(guī)格外異物進入未焊接完成的模組內(nèi)，導(dǎo)致模組整體絕緣失效。
采用電阻焊接工藝，應(yīng)對焊頭的修磨頻次、壽命進行管控，保證焊接工藝穩(wěn)定性和焊接強度。
采用栓接工藝，應(yīng)保證扭矩滿足結(jié)構(gòu)強度要求及耐久性防止長期使用過程中栓接松動，接觸不良，出現(xiàn)安全問題。
同時模組中CSC、BMS 或FPC 等零部件做好隔離防護，避免焊接對電子零部件的損傷。
5、采樣線連接
通過栓接、超聲焊、激光焊等工藝將電壓和溫度采樣線與匯流排進行有效連接。
栓接過程須對扭矩進行控制。
超聲焊和激光焊接要確認(rèn)在匹配的焊接參數(shù)下進行焊接，防止出現(xiàn)虛焊、焊漏等焊接不良。激光焊接要對焊接所產(chǎn)生的顆粒粉塵進行收集處理。
模組采樣線線序需要進行檢測，避免安裝錯誤，導(dǎo)致采樣線短路、采集板或保險損壞、燒毀。
四、電池模組安全評價
1、電池模組安全要求
1.1 電安全評價
模組的電安全測試主要包括過充、過放、外部短路測試。電安全測試主要模擬在電池管理系統(tǒng)或充電樁失效的情況下，電池發(fā)生過充、過放、外部短路等異常，高壓控制器件無法有效切斷充放電回路時，電池應(yīng)不出現(xiàn)起火、爆炸等安全事故。
過充測試，要求模組在滿電狀態(tài)下繼續(xù)1C 充電至電壓達到規(guī)定終止電壓的1.5 倍或充電時間達到1 小時停止充電，觀察1h。電池模組應(yīng)不爆炸、不起火。
過放測試，要求模組在滿電狀態(tài)下以1C 放電90min，觀察1h。電池模組應(yīng)不爆炸、不起火、不漏液。
外部短路測試，要求電池模組在滿電狀態(tài)下，以小于5mΩ的電阻短路電池模組正負(fù)極10min，觀察1h。這種情況下應(yīng)不爆炸、不起火。
1.2 機械安全評價
電池模組的機械安全測試主要包含擠壓、針刺、跌落等。機械安全測試主要模擬電池在濫用或發(fā)生交通事故時，電池遭受外部的異常撞擊，如兩車碰撞、車輛底部受硬物撞擊等，電池發(fā)生一定的變形、刺穿、高處跌落等，電池應(yīng)不出現(xiàn)爆炸、起火等安全事故。
擠壓測試，電池模組滿電狀態(tài)下，以半徑75mm，長度不超1m 的半圓柱體擠壓電池在整車布局中最容易受擠壓方向，擠壓速度（5±1）m/s,模組擠壓形變量達到30%或擠壓力達到200kN，保持10min，觀察1h。電池應(yīng)不爆炸、不起火。
針刺測試，電池模組滿電狀態(tài)下，用φ6-φ10mm 的耐高溫鋼針，以（25±5）mm/s 的速度垂直電池極組方向，依次貫穿至少3 個單體，鋼針停留在電池中，觀察1h，記錄安全等級。
跌落測試，電池模組滿電狀態(tài)下，電池正負(fù)極端子朝下，從1.2m 高度自由跌落到水泥地面上，觀察1h。電池應(yīng)不爆炸、不起火、不漏液。
底部撞擊工況測試，模擬整車底部受到飛石、金屬塊等異物撞擊，模組、電芯底部受到擠壓形變的場景。測試模組充電至100%SOC，按圖一要求固定安裝測試對象，使用前端為半徑10mm 半圓球的圓柱體，撞擊方向為半球體的球心與測試對象撞擊面中心重合，撞擊參數(shù)見表一。記錄測試過程中電壓、溫度、擠壓力、擠壓速度、擠壓最大形變量，觀察1h。這種情況下應(yīng)不爆炸、不起火。
備注：1.撞擊能量根據(jù)動能定理E=1/2mv2計算。2.撞擊頭重量指前端為半徑10mm 半圓球的圓柱體的重量。
1.3 環(huán)境安全評價
電池模組的環(huán)境安全測試主要包括加熱、溫度循環(huán)、低氣壓、海水浸泡測試。環(huán)境安全測試主要模擬電池在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，如異常高溫情況、高低溫反復(fù)變化情況、高海拔地區(qū)應(yīng)用、雨季或異常情況車輛泡水等，不能出現(xiàn)安全問題。
加熱測試，電池模組放入溫箱中，以5℃/min 的速率由室溫升至130±2℃并保持30min 后停止加熱，觀察1h。電池應(yīng)不爆炸、不起火。
溫度循環(huán)測試，電池模組滿電狀態(tài)下，將模組放入溫箱中，從-40℃~85℃進行溫度循環(huán)，每個循環(huán)8h，進行5 次循環(huán)。電池應(yīng)不爆炸、不起火、不漏液。
低氣壓測試，電池模組滿電狀態(tài)下，放入氣壓箱，設(shè)置氣壓11.6kpa（相當(dāng)于海拔15420m），靜置6h，觀察1h。電池應(yīng)不爆炸、不起火、不漏液。
2、電池模組可靠性要求
2.1 熱擴散評價
熱擴散測試是評估電池模組熱擴散防護設(shè)計能力。通過加熱、針刺、過充等方式模擬一只電池發(fā)生熱失控后，模組設(shè)計能有效延緩熱擴散，保證電池系統(tǒng)在5min 內(nèi)不發(fā)生起火、爆炸，給車上乘員足夠的逃生時間。
2.2 機械振動測試
振動測試模擬車輛長時間在復(fù)雜路況行駛（如搓板路、顛簸路、起伏路等）。電池長時間振動顛簸后電芯內(nèi)部不能出現(xiàn)短路，模組結(jié)構(gòu)不能散開脫落發(fā)生短路等安全問題。實驗要對電池模組進行X、Y、Z 三個方向的振動測試，每個方向21h。要求測試后，電池連接可靠、結(jié)構(gòu)完好，最小監(jiān)控單元電壓無銳變，電壓差的絕對值不大于0.15V，無泄漏、外殼破裂、爆炸或著火等現(xiàn)象，絕緣電阻不小于100Ω/V。
電池模塊中的零部件（包括支撐柱、緊固件等）無明顯位移、扭轉(zhuǎn)和彎曲；零部件的諧振頻率與初始值的偏差應(yīng)小于10%，各個緊固螺絲的剩余緊固力不低于初始值的60%；
各個電連接點的電阻與初始值的偏差應(yīng)小于5%。
2.3 機械沖擊測試
機械沖擊模擬車輛在急加速、急剎車情況下，電池能承受加速度的沖擊而不出現(xiàn)安全問題。試驗對電池模組施加25g、15ms 的半正弦波形Z 方向沖擊3 次，試驗后觀察2h。
要求電池?zé)o泄漏、外殼無破裂、無爆炸、無著火等現(xiàn)象,絕緣電阻不小于100Ω/V。
2.4 高溫存儲測試
高溫存儲測試主要評估的是電池的日歷壽命。模擬電池在高溫環(huán)境下（如45℃或55℃）長時間存儲，評估其恢復(fù)容量與初始容量的比例。
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