蜂巢能源张放南:动力电池系统安全设计构想

07-11 19:11   
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新能源汽车补贴政策从2016年开始退坡,同时提出动力电池高能量密度路线。近期接二连三的电动车自燃事件,引发了大众对于电动车安全的进一步关注。7月5日,由盖世汽车主办的2019新能源动力电池安全技术论坛在上海举行,蜂巢能源科技有限公司Pack开发中心总监张放南就动力电池系统安全设计进行了主题演讲,内容如下:

电池,动力电池

张放南:我给大家分享的主题是《蜂巢能源动力电池系统安全的构想》。

总共分为5部分的内容,第一项是安全问题的简介,王总也讲了,现在的消费者从“里程焦虑”逐渐转到“安全焦虑”,我们也把安全事故做了一个初步划分,业内对安全的划分有很多种,分法不太一样,整体是差不多的,包括失效的原因也做了一个初步分析,包括起火爆炸、高压触电、化学安全。失效原因也做了三个划分,一个是控制策略的原因,一个是外部短路的原因,还有内部的原因。控制策略失效包括过充、过放、过温,以及绝缘失效,外部短路原因包括过放或者线路老化引起的外部短路的机械的损伤,内部短路主要是在制造过程中的缺陷以及后期使用过程中的绝缘膜的溶穿。

针对系统安全我们做了一个初步的划分,从电池的整个生命历程分了三个阶段。第一阶段是电池生产和设计过程中注意安全,然后是电池应用中的安全,以及梯次回收安全,做了三个大的领域划分。

针对产品设计过程中也分了四个层级。第一级主要是针对原材料,电芯,整车,整个系统过程中实现多重的主被动设计,通过控制策略的优化来实现安全的控制,就是依托自动化的生产防错,以先进的制造工艺来保证产品的一致性,实现零缺陷的制造过程。

第二级是早期预警及干预,通过高精度的传感器结合的控制策略,通过远程的云端分析,前端的BMS相结合,能够在事故发生的早期提前识别这种异常数据来提前预警。

第三级是安全风险发生之前,基本上事故马上发生,通过传感器及BMS提醒驾驶员停车保证人身安全。

第四级是事故发生之后,通过被动安全及灭火措施来控制和延缓热失控蔓延的时间。

针对整个系统安全的设计,从材料、系统、整车、电芯和整车,其实涉及的过程中我们认为最关注的应该是需求,目前的系统开发的需求,基本上来源于整车厂的SOR,可能需求并不一定完善全面,整个层级的分解过程可能也不是很专业。第二整车分解到系统,从系统分解到电芯,然后分解到材料,分解的这种需求的完整程度需要进一步的加强,我们认为,未来的设计应该首先关注的是完善需求的提出,完善需求分解的过程。

现在所有的安全测试项目国标基本上已经比较全面,但是国标毕竟是一个基础、入门级的标准,真实的路况,还有比较严苛的路况,可能在标准里面没有体现,这样就需要系统开发过程中识别除了标准以外的需求和测试项目,比如说蜂巢一共识别了104项测试标准,包括安全性、可靠性和性能耐久等项目。比如说国标上现在要求的一些温度冲击、振动等等,都是单个的产品在做相关的测试。单个产品做完了之后,可以用同一个产品再做其它验证项目,比如说做完温度冲击,再做振动,再做浸水实验,以验证在实际使用过程中的老化引起的密封失效,后边也会有详细的介绍。

针对结构的设计理念,电池包都是在底盘下面,电池包有很大的作用,是承接了来源于整车侧面的传力或者是加强整车结构强度的作用。这样的话,需要在电池包设计的过程中,模组之间或者是在电池包内部增加横梁来提升整车的侧撞。当然增加电池包和车边缘的空间尺寸同样有利于碰撞安全。

这个是我们识别的除去国标以外的一些特殊的测试项目,比如说整车在洗车的时候,高压水枪的冲洗对电池包的密封会有一定的影响,整车在高速通过积水路面或者是冬天通过冰水路面的话,对电池包密封的要求不一样。包括长时间的浸水,国标是有一个短时间的浸水要求。这样的话对密封设计的要求是会比较严苛的,测试项目测试方法也会明显的不一样。

比如整车发生碰撞之后做这种翻转测试,做模拟整车碰撞实验之后,增加一些特定的实验方法,来满足实际使用过程中的差异。

这个是我们识别的整车级别的一些特殊的状况,比如说行车过程中掉落,或者是整车通过障碍物时的一些测试,包括过沟,模拟侧滑撞击路边,各种颠簸路的测试,包括扫描路况等等,其实在整车需求里,对电池包的设计、系统开发的要求并不是很明确,需要电池厂或者是系统开发单位,能够对整车的需求有一个很深入的了解。

现在,可能大家关心的大部分都是在事故发生之后,由于设计的原因,主要是设计缺陷引起的事故大家比较关注,但是真正耐久、老化之后的寿命业内关注的程度不是很高,可靠和耐久的设计,需要进行深入的研究。比如说Pack级的寿命测试,针对结构方面的测试大部分是通过振动实验,但是实际载荷情况并不是很吻合,所以在整包振动实验的时候,需要结合整车的实际使用工况去采集数据做相应的仿真及测试,来保证产品的耐久。

同时紧固件开发,以及密封性能的优劣,都是通过紧固来实现的,所以选型规范及相应的验证需要去研究。电池包内的传感器连接的可靠性,受冲击的可能性也是需要重点去解决的。

针对电气安全,内部的高压部件的选型,以及高压绝缘的耐压等等都比国标要好。比如说现在保险和接触器的选型我们同时需要结合电芯,尤其是方形电芯本身内部的保险(OSD),以及Pack的主保险和接触器三者之间的匹配关系来进行系统的开发和实验的设计。关于电器件的可靠性的设计需要考虑整车某些极端情况下的使用,如玩儿钥匙等导致电池包反复的上下电,可能对继电器、预充电阻的寿命会有一定的影响,同时结合上电的控制策略,来优化我们选型的相关要求。

对于电池包热管理的安全,尤其是热失控前期的传感器的选型,现在主要是通过BMS的策略,以及策略的优化,再加上压力,烟雾,或者是气体检测来共同判断、识别在热失控前期能够及时的反馈给乘客,提醒注意安全。

Pack级的设计,从电芯到模组到整包,针对热失控需要采取多重的防护设计,比如说电芯间增加隔热、绝缘的材料,同时这种材料有一定的可压缩性,这种材料目前很难找,也需要业界同仁共同去努力开发这种新的材料。通过隔热绝缘材料来防止或者说延长电芯间的热失控蔓延时间,通过模组间增加防撞梁等隔离措施,以及这种绝缘防火的材料,来延长增加模组之间的热失控蔓延的时间。同时在Pack的设计过程中增加相应的排气通道,让它定向排气以避免对相关人员尤其是驾驶员的伤害。

这个是我们做的一个的仿真,根据电芯热失控之后的热蔓延,因为这种情况比较激烈,所以在电芯和模组间增加相应隔离设计,来延长热失控的时间。同时热失控之后,对上盖的冲击或者损伤是比较明显的,这样的损害会直接对驾驶员对乘客造成人身伤害,所以对电池包的上盖设计以及上盖的选材或者是防火材料的设计也是需要重点研究和分析的。

针对热失控之后的灭火,现在基本上主要采用的水基和干粉灭火,起到的灭火效果并不是很理想。未来需要研究专用的吸热的包覆材料或者是灭火的覆盖材料可能对电动车的灭火会有一定的帮助,当然我们也希望能够和消防单位消防机构一起去探讨未来电动汽车灭火的一些方式和方案。

针对BMS的安全,整个电池包系统能够实现正常工作,除了电芯的安全生产、结构、热管理以外,最重要的就是控制策略。我们也有一些研究,比如说BMS最主要的功能,是监控和控制让电池包能够在合理的区间之内工作,超出正常区间之后BMS具有相应的报警和诊断,通过前面讲述的一些措施来实现预警。

下面是关于BMS开发过程的一些要求,刚才有提到,针对电池包设计的时候,需要对整车的横向加固以及加强,同时你要留有一定的碰撞空间,我们对电芯和模组以及Pack未来的发展趋势也做了一个初步的构想。通过整车碰撞分析,整车可分为三个区域,一个是碰撞危险区域。第二层是高风险区域。第三层是控制电池包最安全的区域。要保证安全,电池包应安装在第三层,这样的话,电池包的尺寸或者是模组电芯的尺寸会受到相应的限制,比如说现在的整包宽度尺寸可能是1米3左右,随着电芯,Pack的能量密度要求不断提升,这个尺寸可能会缩小,假如说未来达到700mm到800mm的电芯的尺寸,未来可能会需要设计长的模组或者是长的电芯。

针对长电芯,目前业内普遍做的是EV的尺寸长度148,MEB的尺寸的是220,如果未来做到800到1米的长度的话电芯的长度可能在400到500,或者是700到800的长度,如果这么长的电芯用传统的卷绕工艺无法实现,需要采用全新的叠片工艺,因为电芯做长之后,卷绕可能在工艺实现上,设备

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