電池模組安全分析與設(shè)計(jì)

1、動(dòng)力電池模組安全分析與設(shè)計(jì)01動(dòng)力電池安全性分析02動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì)動(dòng)力電池安全性分析 乘員安全最終是目的和出發(fā)點(diǎn)，也是最高標(biāo)準(zhǔn) 前端某一環(huán)節(jié)的絕對(duì)安全，才能確保最終的乘員安全 矛盾在于：處于焦點(diǎn)的電芯被寄予了最高的期望，大家都認(rèn)為它要絕對(duì)安全，或者將來(lái)會(huì)絕對(duì)安全，真的可行嗎？乘員安全整車(chē)安全整包安全模組安全電芯安全化學(xué)體系動(dòng)力電池安全性分析本質(zhì)安全性：化學(xué)體系1、常見(jiàn)動(dòng)力電池材料體系： 三元體系 NMC/NCA 磷酸鐵鋰LFP 鈷酸鋰LCO 錳酸鋰LMO2、優(yōu)勢(shì)與缺陷： 鈷酸鋰LCO成本高，安全差 錳酸鋰LMO壽命低 剩下的磷酸鐵鋰LFP和三元一個(gè)偏向安全，一個(gè)偏向容量3、常見(jiàn)動(dòng)力電池代表

2、形態(tài)： 方形電芯/圓柱電芯 /軟包電芯 動(dòng)力電池安全性分析本質(zhì)安全性：化學(xué)體系重要組分常見(jiàn)材料材料實(shí)例備注正極嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元素復(fù)合材料、磷酸鐵鋰負(fù)極電位接近鋰電位的可潛入鋰化合物人造石墨、天然石墨、石墨化中間相碳微珠和金屬氧化物電解質(zhì)LiPF6的烷基碳酸酯搭配高分子材料乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低粘度二乙基碳酸酯（DEC）等隔膜聚烯微多孔膜PE、PP或它們的復(fù)合膜，PP/PE/PP三層隔膜外殼金屬鋼、鋁鋰離子電池主要組分常見(jiàn)材料動(dòng)力電池安全性分析本質(zhì)安全性：化學(xué)體系 熱失控發(fā)生時(shí)，各種材料相繼發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱量，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)效應(yīng)，使得電池

3、體系內(nèi)部溫度不可逆快速升高； 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程中，電解液氣化及副反應(yīng)產(chǎn)氣造成電池體系內(nèi)壓力升高，電池噴閥破裂后，可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃發(fā)生燃燒反應(yīng)； 單體電池的熱失控特性表現(xiàn)為其組成材料反應(yīng)熱特性的疊加。動(dòng)力電池安全性分析本質(zhì)安全性：化學(xué)體系 材料可燃屬性：組成鋰離子電池的主要材料可燃； 電芯能量密度：鋰電池的高能量密度，一旦內(nèi)部失效短路，內(nèi)部?jī)?chǔ)存的電能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，可以把電池材料加熱到燃點(diǎn)以 上； 正極材料分解：三元正極材料或鈷酸鋰，電極材料形成的高溫會(huì)分解釋放氧原子，進(jìn)而氧化集流體金屬箔材（銅箔和鋁箔）， 燃燒釋放很高熱量； 電芯失效放熱，電極材料燃燒，正極材料分解導(dǎo)致劇烈燃燒/爆炸，鋰電池失效三部

4、曲，環(huán)環(huán)相扣，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（磷酸鐵鋰沒(méi) 有第三步）結(jié)論：鋰電池從化學(xué)體系的本質(zhì)上不安全動(dòng)力電池安全性分析鋰離子18650電芯安全特性分析：鋰離子18650電芯外表尺寸：直徑18.0mm， 高度65.0mm。 鋰離子18650電芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 正極：頂部原點(diǎn)； 負(fù)極：殼體； 塑料膜：每個(gè)18650電芯都帶一個(gè)包裝塑料膜，起絕緣作用； 鋰離子18650電芯安全特點(diǎn)： 電解液：屬于有機(jī)可燃物，在一定溫度下會(huì)燃燒，引起火災(zāi)； 在電解液泄漏時(shí)，見(jiàn)火即著； 隔膜：在一定溫度（大于160度）下會(huì)收縮，造成正負(fù)極短路， 引起火災(zāi)； 外殼體：鋼殼，做為負(fù)極使用； 當(dāng)多節(jié)串聯(lián)使用時(shí)，遇到碰撞，可引起殼體短路，引起火災(zāi)；

5、 在劇烈碰撞下，電解液泄漏遇明火會(huì)燃燒。動(dòng)力電池安全性分析鋰離子鋼（鋁）殼電芯安全特性分析：正極，負(fù)極與殼體有電壓差，殼體具有第三極性；在充放電過(guò)程中正極，負(fù)極與殼體有電壓差變化； 鋰離子鋼殼電芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：殼體：與正極，負(fù)極形成第三極性，有電壓差；外加塑料套：每個(gè)鋼殼電芯都帶一個(gè)塑料套，起絕緣作用；鋰離子鋼殼電芯安全特點(diǎn)：電解液：屬于有機(jī)可燃物，在一定溫度下會(huì)燃燒，引起火災(zāi)； 在電解液泄漏時(shí)，見(jiàn)火即著；隔膜：在一定溫度（大于160度）下會(huì)收縮，造成正負(fù)極短路，引起火災(zāi)；外殼體為鋼（鋁）殼，鋼（鋁）殼表面帶第三級(jí)性： 在充放電過(guò)程中，正負(fù)極與鋼（鋁）殼有電壓差，壓差，充電過(guò)程的電壓差與放電的電壓

6、差電壓值有所不同；電壓差的產(chǎn)生是通過(guò)電解液作為導(dǎo)體傳輸?shù)秸?fù)極耳上；當(dāng)多節(jié)串聯(lián)使用時(shí)，在劇烈碰撞下， 殼體可能會(huì)短路引起火災(zāi)； 電解液泄漏遇明火會(huì)燃燒。動(dòng)力電池安全性分析鋰離子塑殼電芯安全特性分析：電解液：屬于有機(jī)可燃物，在一定溫度下會(huì)燃燒，引起火災(zāi)； 在電解液泄漏時(shí)，見(jiàn)火即著；隔膜：在一定溫度（大于160度）下會(huì)收縮，造成正負(fù)極短路， 引起火災(zāi)； 外殼體：塑殼，具有極高的絕緣性能；在劇烈碰撞下：電解液泄漏遇明火會(huì)燃燒，引起火災(zāi)。動(dòng)力電池安全性分析鋰離子液態(tài)軟包電芯安全特性分析： 鋰離子液態(tài)軟包電芯安全特點(diǎn)： 電解液：屬于有機(jī)可燃物，在一定溫度下會(huì)燃燒，引起火災(zāi)； 在電解液泄漏時(shí)，見(jiàn)火即著；

7、隔膜：在一定溫度（大于160度）下會(huì)收縮，造成正負(fù)極短路， 引起火災(zāi)； 外殼體：塑料軟包，具有極高絕緣性能； 在劇烈碰撞下：電解液泄漏遇明火會(huì)燃燒，引起火災(zāi)。動(dòng)力電池安全性分析 測(cè)試安全性：各種測(cè)試和產(chǎn)品認(rèn)證的安全性，標(biāo)準(zhǔn)是使用條件和極端條件的安全表現(xiàn)，只能模擬，驗(yàn)證的是設(shè)計(jì)的合理性，也僅僅是設(shè)計(jì)的合理性（化學(xué)體系和物理結(jié)構(gòu)）； 使用安全性：正常使用過(guò)程中的事故幾率，由制造缺陷（設(shè)計(jì)到位但沒(méi)有做到但又無(wú)法全部檢出）和使用壽命（到了生命周期 的末端要出問(wèn)題了）決定； 設(shè)計(jì)可以很合理，制造缺陷和壽命末端的安全風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法徹底消除。缺陷發(fā)生的必然性，加上化學(xué)體系本質(zhì)上的不安全，導(dǎo)致 起火/爆炸具有必然

8、性。 可以設(shè)想汽車(chē)的例子，碰撞試驗(yàn)，制造缺陷，老化風(fēng)險(xiǎn)，高速+汽油電芯安全性：真的有辦法不出事兒？01動(dòng)力電池安全性分析02動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì)03請(qǐng)?jiān)诖颂砑訕?biāo)題04請(qǐng)?jiān)诖颂砑訕?biāo)題動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì)模組安全設(shè)計(jì)原則： 1、良好的設(shè)計(jì)，確保不要發(fā)生事故; 2、如果不行，發(fā)生事故了，最好能提前預(yù)警，給人以反應(yīng)時(shí)間; 3、故障已經(jīng)發(fā)生，則設(shè)計(jì)的目標(biāo)就變成阻止事故過(guò)快蔓延。 -提前預(yù)防 -發(fā)生后及時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì) 電解液為有機(jī)體，易燃物； 措施：防止電解液外泄漏，與電火花隔離； 隔膜對(duì)溫度比較敏感，超過(guò)160度即可能使正負(fù)極短路； 措施：電池溫度控制，對(duì)電池進(jìn)行熱管理；電池溫度控制在0-45度之

9、間。 鋰離子在遇到水汽時(shí)會(huì)即刻著火； 措施：采用封閉措施，或注入惰性氣體與水汽隔離； 充放電安全性要求 電芯過(guò)充或過(guò)放會(huì)引起火災(zāi)； 措施：在充放電過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格充放電管理。 BMS要可靠的發(fā)揮管控作用。從電芯層考慮安全性:動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì)從模組層考慮安全性: 電氣性能：充放電的安全性設(shè)計(jì)； 安全絕緣：爬電絕緣距離的安全性設(shè)計(jì)； 電芯串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)； 溫度控制：對(duì)電芯模組溫度一致性設(shè)計(jì)和熱失控設(shè)計(jì)； 在結(jié)構(gòu)上考慮熱失控的安全性設(shè)計(jì)； IP防護(hù)等級(jí)：滿足整車(chē)要求的IP防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)； 異常碰撞：碰撞后的殼體防短路設(shè)計(jì)，絕緣防護(hù)層設(shè)計(jì)。電池模組安全設(shè)計(jì)電池模塊的設(shè)計(jì)需要滿足一定的安全、機(jī)械和

10、環(huán)境的要求，特別是安全性能，這些要求一方面根據(jù)外部的法規(guī)要求，如GB/T 31485-2015 電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法 ：安全性試驗(yàn)電氣結(jié)構(gòu)環(huán)境人員踩踏人員端坐模組主正主負(fù)短路內(nèi)部最小并聯(lián)單元短路采樣線纜短路CMU內(nèi)接口短路模組滴灌模組全泡模組半泡（側(cè)浸）1過(guò)放電2過(guò)充電3短路4海水浸泡擠壓模組承壓跌落模擬產(chǎn)線跌落模擬其他濫用跌落加熱高溫存儲(chǔ)溫度循環(huán)熱沖擊凌霜凌霜機(jī)械沖擊振動(dòng)試驗(yàn)針刺電池模組的安全性試驗(yàn)：動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)：模組下邊冷卻模組側(cè)邊冷卻電芯之間冷卻動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì)阻止熱擴(kuò)散設(shè)計(jì)： 1、優(yōu)化電芯設(shè)計(jì) 電芯內(nèi)部增加阻燃材料，或者抑制化學(xué)反應(yīng)的材料 2、隔

11、熱設(shè)計(jì) 電芯與電芯之間的隔熱的設(shè)計(jì)，包括電芯與外界的一些輻射放熱、對(duì)流放熱等等，可以在電芯中間放一 些隔熱材料 3、改善熱傳播 放一些PCM材料改善一個(gè)熱傳播的情況動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì)1. 模組的高壓連接外短路模組的短路危害方式可分為兩種： (1)模組的短時(shí)間的外短路， 在每個(gè)Cell的內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)Fuse(國(guó)外有針對(duì)每個(gè)電芯焊接一個(gè)Fuse的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)也有針對(duì)每個(gè)電芯配一個(gè)貼片F(xiàn)use的設(shè)計(jì)，具體形式可以有很多種)，在短路瞬間，斷開(kāi)電流回路,起到短路保護(hù)的作用。(也有采用PTC進(jìn)行保護(hù)的方案，溫度升高時(shí)電芯電阻陡增，從而限制大的短路電流。) (2)模組長(zhǎng)時(shí)間的短路， 上面我們已經(jīng)提到，通過(guò)電芯

12、的fuse，當(dāng)模組短路時(shí)，可以斷開(kāi)回路，是否意味著pack系統(tǒng)因?yàn)殡娏骰芈返臄嚅_(kāi)就安全呢?實(shí)際上并不是這樣的。這一點(diǎn)容易被忽視掉。 另外一種是電芯外部增加fuse的設(shè)計(jì)方案，比如在模組的busbar上設(shè)計(jì)薄弱的過(guò)流界面。模組短路時(shí)，busbar會(huì)熔斷，從而起到短路斷開(kāi)功能。這樣設(shè)計(jì)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：短路斷開(kāi)時(shí)，電芯不會(huì)有反向電壓。同樣的，在pack系統(tǒng)中，該反向電壓會(huì)比較高，busbar熔斷常伴隨著拉弧等安全問(wèn)題短路設(shè)計(jì)：動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì)2. 模組的采樣線短路短路形式可以分為兩種情況： （1）采樣線的直接短路 采樣線直接短路常出現(xiàn)在線束被擠壓的情況下。比如模組的搬運(yùn)過(guò)程中可能不小心擠壓到線束，或者

13、由于pack設(shè)計(jì)的不合理，在振動(dòng)、沖擊、碰撞等情況下，線束可能破損引起短路。 （2）采樣線進(jìn)水短路。 這種類型的短路電流受短路介質(zhì)、接觸情況影響，短路電流一般很小。該短路的破壞形式也比較復(fù)雜，一方面是大阻抗小電流放熱，一方面有水電解引起的線束燃燒風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)采樣線束增加fuse的方法不能完全解決該問(wèn)題。基于此，pack設(shè)計(jì)上需要講究，避免水進(jìn)入到采樣線束連接接頭，如有可能，可考慮采樣防水連接器。短路設(shè)計(jì)：動(dòng)力電池模組設(shè)計(jì)過(guò)流設(shè)計(jì):錄自德國(guó)BEA估算法:單條銅母排載流量= 寬度(mm) X 厚度系數(shù)雙母排載流量= 寬度(mm) X 厚度系數(shù) X 1.5(經(jīng)驗(yàn)系數(shù))銅排和鋁排也可以按平方數(shù)來(lái),通常銅應(yīng)該按5-8A/平方,鋁應(yīng)該按3-5A/平方按持續(xù)功率72.5kwh,最大功率164.5kwh計(jì)算，選取銅排厚度為2mm，持續(xù)電池為191A，最大電流475A，按照估算法，截面積為191A/5A=38.2(mm2)；從右表進(jìn)行估算截面積為43.5mm2；取兩者中最大值，確定截面積為43.5mm2，導(dǎo)線截面積選取50mm2動(dòng)力電池安全性設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)： 導(dǎo)熱系數(shù)：水的103倍 熱導(dǎo)率：當(dāng)量銀的30000倍 導(dǎo)熱效率：98% 導(dǎo)熱密度：6002000w/cm