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雷洪鈞博士專欄:電動汽車安全與動力電池熱管理

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年06月25日  

動力電池熱失控與電池比能量電池高低,沒有必然的因果關系。

電動汽車安全,目前主要是關注動力電池的安全,而動力電池的安全,主要關注動力的電池熱管理。筆者關心的問題:

1.熱管理要消耗能量,動力電池要分一部分能量,對續航里程有多大影響?

2.熱管理是一個控制系統,如果控制對象,不接受管理,如何辦?

3.熱管理能保證動力的安全嗎?

一、動力電池國內起火的基本特征

根據歐陽明高院士的報告,動力電池國內起火的基本特征:

(1)發生事故的主要是前幾年裝的車;

(2)圓柱形電池為主,這是其中一個比較主要的類型;

(3)三元電池超過一半的比例;

(4)發生事故大不分充電階段。

a)圓柱電池單體b)圓柱電池模組c)圓柱電池汽車

按照日本管理大師石川馨先生的魚骨圖(Fishboneanalysismethod)法分析,可以歸納出這樣一個基本結論:前幾年裝的車圓柱形三元電池在充電環節,發生事故概率比較大。在這個結論的基礎上,再分析:

(1)前幾年裝的電池發生事故概率比較大,言下之意,目前和今后生產的電池安全性已經好多了。第二個意思,中國動力的質量在一年一年的提升;

(2)車圓柱形電池發生事故概率比較大,言下之意,其他類型的電池,如方形、軟包等發生事故概率比較小;

(3)三元電池發生事故概率比較大,言下之意,其他電池,比如磷酸鐵鋰,錳酸鋰電池等發生事故概率比較小;

(4)充電環節,發生事故概率比較大,言下之意,其他環節,比如行車環節、非充電環節發生事故概率小。

經過以上收斂,動力電池起火的主要對象、環節已經找到,拿出可靠的措施,主要問題解決到位。

二、主要安全性問題解決措施

(1)提高產品生產過程的質量把控。主要措施,提高動力電池單體、電池PACK生產線自動化水平;

(2)提高方形、軟包電池裝車規模;

(3)在安全性要求比較苛刻的車型,多用磷酸鐵鋰,錳酸鋰電池;

(4)在充電環節,原則上以慢充為主,嚴格把控快充的前布置條件和門檻。

目前純電動公交車安全性已經得到明顯改善。主要措施,使用磷酸鐵鋰,錳酸鋰電池,嚴格把控快充的前布置條件和門檻。公交車每天運營里程在200公里以內,加上磷酸鐵鋰,錳酸鋰電池比能量還在穩步提升。

基本結論是,我國純電動公交車的安全性和里程指標得到滿足。

三、只有用三元電池,才能提高續航里程,安全性如何保證?

三元電池單體比能量已經實現304Wh/kg,系統比能量可以實現260Wh/kg。目前國內三元電池基本不采用圓形包裝。汽車要用三元電池是基本趨勢,保證安全是基本要求,乘用車、輕型車市場要求電動汽車能快充。但安全如何保證?

(1)鋰離子電池熱失控的基本原因

(a)電池,如果放電到一定深度之后不會熱失控。這個結論,許多人不知道。言下之意,動力電池不能過充,不顧電池狀態,追求快充,是十分危險的。動力電池處于比較深度放電狀態,是大概率事件。于是結論是,合格的汽車動力電池,總是安全的

(b)熱失控一般都是在滿電狀態,所以在充電的時候容易引起火。這個結論太重要了。言下之意,充完電,接下來開車,動力電池的電量是會下降的,其安全性是越來高。

基本結論,動力電池熱失控與電池比能量電池高低,沒有必然的因果關系。

四、動力電池為什么熱失控呢?

電池溫度到達一定時候電池就會有連鎖的負反應,放熱的反應,所以溫度快速上升,最高的速度可以達到每秒鐘溫升接近1000度,所以它的速度是非常快的。

接近溫升1000度,為什么就失控了?動力電池有四種基本材料,一是正極材料;二是負極材料;三是隔膜材料;四是電解液。

(a)正極材料是什么,其功能、性質

正極使用的金屬的氧化物,如鈷酸鋰或者是錳酸鋰,磷酸鐵鋰等。正極材料涂覆在鋁箔上。

(b)負極材料是什么,其功能、性質

負極主要是用的石墨,是碳的一種。負極材料涂覆在銅箔上。

(c)隔膜材料是什么,其功能、性質

隔膜材料主要是聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)為主的聚烯烴(Polyolefin)類隔膜,如聚酯膜(PET)、纖維素膜、聚酰亞胺膜(PI)、聚酰胺膜(PA),氨綸或芳綸膜等等。通俗地理解是塑料薄膜。耐溫在160度以下。

(d)電解液是什么,其功能、性質

電解液添加劑是一些天然或人工合成的有機或無機化合物,一般不參加電解過程的電極反應,但可以改替電解質體系的電化學性能,影響離子的放電條件,使電解過程處于更佳的狀態。

一句話,動力電池材料里面有天然或人工合成的有機,如塑料薄膜、電解液添加劑,耐溫不高。也就是說,當動力電池溫度搞過200度,里面材料薄膜、電解液添加劑自己會燃燒的,一旦擴散,速度相當快,動力要么不起火,一旦起火,非常猛。

圖7電池有四種基本材料

五、動力電池起火,熱源哪里來?如何控制?

動力電池是電動汽車動力源。動力電池是電源系統。基本可以歸納出動力電池起火,熱源是電源系統內部或者外不負載短路,電能的急劇釋放,表示形式的發熱,溫度升高,導致可燃物起火。一旦起火,表明熱失控。

(a)負載短路控制。目前負載短路控制技術基本成熟。基本措施是對負載進行分級(分路)控制,集中管理,在電動汽車上主要由高壓開關盒,在電源正極、負極設有開關控制。

(b)動力電池內部短路(這個里說的電池包內部)。說得更具體一點,單體電池內部的短路控制。電池內部為什么會短路呢?

(i)電池正負極之間是塑料薄膜。鋰離子通過這個薄膜來往搖曳于正負極之間,可以理解,這個塑料薄膜對正負極而已是絕緣的,而對鋰離子而已是有空的。

(ii)如果這個洞遠遠大于鋰離子的要求,塑料薄膜絕緣就起不到絕緣的作用了。正負極就會短路,一有短路,就發熱;熱擴散了,溫度就高了,塑料薄膜會燃燒;塑料薄膜一旦燃燒,正負極短路越嚴重。其后果不堪設想。

六、如果控制電池單體內短路呢?

(1)快速充電是有條件的。鋰離子電池在高溫下長期存儲性能會嚴重衰減,長期存放的電池,再次使用時也不應直接采用。

(2)在條件允許的情況下,應減少快充的使用,盡可能選擇小倍率充電。

(3)熱失控發生起火時,電池單體上的安全保護裝置應啟動。

(4)鋰離子電池最佳使用溫度范圍在0-45℃之間。這是熱管理系統的任務。尤其是鋰離子電池應控制充電方式(包括充電溫度、充電倍率和充電電壓),以保證安全。

(5)電池單體制造商在提供單體電池產品時,應提供溫度-倍率-充電電壓關系圖,整車廠要根據電池單體規格書設計系統充電策略。

(6)電池和模組的包裝應防水、防潮,避免擠壓和損傷。

(7)在運輸過程或者庫存中,要避免日曬、雨淋和受潮。

七、熱管理應該是電池管理系統的重要組成部分

動力電池必須要求配備電池管理系統。電池管理系統的基本職能確保動力系統安全、可靠、正常運行,動力電池基本功能有監視有關溫度、電壓、電流的動態變化,有對動力電池一致性維護的任務,過去的系統,沒有動力電池熱管理功能,以后要有熱管理功能。熱管理應該是電池管理的重要組成部分。要進行整合,要成為一個系統。電池管理系統對動力電池維護,也要提供管理功能。

八、動力電池熱管理對安全極其重要

動力電池熱管理工作不僅是技術層面的,同時也是用戶層面的工作。動力電池熱管理是電動汽車安全管理的最重要的一部分。

目前的困難是用戶層面,如何進行熱管理,還沒有理論支持,也沒有技術指導,比如如何對動力電源系統進行日常維護。同時要注意,不能認為電動汽車安全就是一個動力熱管理。

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