《金砖锂电论坛》祁鹏飞动力电池系统热扩散安全工程设计方案探讨

发布日期:2020-12-08

核心提示:由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的“2020中国国际锂电技术发展高峰论坛”于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新技术、新应用、新发展”为主题,推动企业交流发展。
    由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的“2020中国国际锂电技术发展高峰论坛”于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新技术、新应用、新发展”为主题,推动企业交流发展。

    理想汽车电池系统结构专家祁鹏飞在本次中国国际锂电技术发展高峰论坛为我们带来《动力电池系统热扩散安全工程设计方案探讨》的分享。
祁鹏飞2

    刚才林博士对于热扩散已经介绍的比较全面了,我找一些比较具体的点大家一起来讨论一下。电芯因为机械或者热电的一些诱因有可能发生热失控,单体热失控以后会产生大量的热,并且如果防爆阀开启以后会有大量的喷射物,一定条件下还会引起燃烧,我的报告主要说单体热失控以后如何避免整包内的热扩散以及电池包和车身之间的热扩散如何抑制。报告分为五部分,第一部分电芯热失控现象,二三四是对这些具体的现象采取的具体应对措施,第五是总结。这是清华大学用622体系530方壳电芯做的单体热失控,具体把一个电芯放在一个密封罐内,罐内填充了氮气,通过加热板加热空气,空气加热电芯还触发热失控,最后它用高速相机包括温度还有气压的一些采样信号获取数据,从右边的图可以看到,它防爆阀总共用时0.4毫秒,它喷射物的形状有锥形的、倒锥形的、直线形的,形态各异,而且随着时间有变化,这主要受电芯内部和罐体内部气压扰动造成的。喷射物的状态有气体、液体还有固体,是一个混合的状态。温度这块首先是电芯大面上的温度,大概在180度的时候,防爆阀是开启的,防爆阀开启以后会有一个瞬间温度会有降低,这个降低主要是由于电解液喷射出来以后挥发吸热造成的,温度在200秒之内就上升到最高温530,喷射物的温度和电芯大面上的温度变化规律是一致的,也是防爆阀开启以后马上下降,最终上升到最高温386度,这个温度是低于电芯大面温度的,原因是由于在没有燃烧的情况下它主要的热量来源是电芯内部的反应。电芯产气试验结果产气量是3.83mol,这个产气量还是比较大的,这仅仅是一个530的电芯,如果更大容量的话,它产气量会有成倍的增加,产气物质里面有很多的可燃性气体,其中一些大分子物质虽然它含量会比较少,但是这是引起燃烧的诱因,所以这也是我们比较关注的一个点。
 
    第二部分是电池包热失控的防护,热失控防护刚才我们看一下单体热失控后的现象,它需要防护的要素比如说大量的热量还有大量的气体、喷射物、高温绝缘防护,我们对这个防护林间就会提出一些要求,比如它的材料我们希望是耐高温的,而且高温下是可以保证绝缘性能的,它的导热系数也需要是低的,有时候还需要具备一定的结构强度,结构设计目标我们需要考虑整包的布置,包括它方便整个零件本身制造、整包装配、成本低,另外我们期望这个防护零件不光是防护,它还能提升一些其他的功能,集成功能也是一个降本的手段。防护级别分为几部分,模组内部、模组之间、模组与上盖还有整包与整车之间。举一个比较具体的,模组级别防护最早是用回形框,它利用电芯之间的空气做隔热,但是这种隔热方式最终电芯膨胀有可能把这个间隙吃掉,另外电芯热失控以后有可能把回形框烧坏掉,所以它整体来说防护效果比较差,它经常用的两种材料是实心的硅胶垫和硅胶泡棉,相对来说硅胶泡棉质量会轻一些,成本会低一些,再往后发展是隔热垫,它就是利用隔热垫本身的低导热系数来隔热,经常用的材料有预氧丝气凝胶和陶瓷隔热垫,陶瓷隔热垫也是一个最新出来的材料,这个材料耐高温性能包括导热系数都会占有优势,但是这个材料压缩性能会稍微差一点。还有一种方式是防火墙,电芯和电芯之间加一层隔垫,它是由相变材料做成的,它在高温下可以发生汽化,所以它的隔热原理不光是隔热,还有一个吸热的功能。
 
    电池包级别防护介绍三种材料,金云母、膨胀涂层和哥斯拉,金云母是通过多层很薄的云母纸通过胶粘接然后再进行热压形成云母板,它常用的形态是做一个隔热板或者云母带的话可以做一些绝缘的包裹,膨胀涂层是在高温下最高理论上膨胀五十倍,一般用时比如电池包的内侧或者外侧,膨胀厚度非常薄,大概只有0.5毫米,哥斯拉也是一个负荷材料,它是比较厚的硅胶类材质,起到绝缘还有隔热的作用,但是这个材料在高温下相变以后会变硬变脆,所以玻璃纤维主要起到结构加强的作用。我们目前国内或者国外的一些厂家应用的方式有的是用在模组上方,有的用在模组侧面,上面两幅图是云母板,云母板作为覆盖模组的上方,第一是云母板作为模组的上盖,这是云母板功能集成的一个案例,右边是云母板粘贴在电池包的上盖上,这两种方式实际上云母板都不是一个完整的罩壳,有可能火焰还是会烧到电池包上盖的。右下角是用云母做整体的罩壳,这个防护效果会相对好一点,但是这个零件因为要罩整个电池包的尺寸,所以它零件尺寸会比较大,零件本身加工比如热压的时候它效率会比较低,所以它成本也比较低。右下角是云母板和云母带的结合,云母板也很小,它通过云母纸连接成整体,而且它可以做比较大的翻边,对整体火焰气体的导流是比较有好处的。上面都是云母板和膨胀涂层结合的应用案例,左边是在云母板的上方喷涂膨胀涂层,右边是在电池模组的上方覆盖云母板,在金属上盖的内侧和外侧都涂了膨胀涂层,原理都是应用了空间比较有限的条件下利用膨胀涂层膨胀的效能起到隔热的效果,云母板不仅隔热还绝缘,另外膨胀涂层膨胀以后变得很疏松,它不能经受防爆阀的喷射,这其实也是保护膨胀涂层。左下角是做一个模组的罩壳,它是把单独的模组罩起来,适合比较小的模组,原理想把热扩散控制在一个模组内部,它的材料选择也是比较多样化的,各种材料都可以选择。右下角是哥斯拉防护罩,用哥斯拉罩了六个大模组,然后哥斯拉材料特性又可以做比较大的翻边,利用这个翻边对火焰进行导流。
 
    高温绝缘防护我们主要关注两个点,一个是在电芯喷射以后有可能喷射的物体会导致包内短路,另一个是喷射以后整个包内的环境已经是受污染的环境了,这个时候我们原来设计的电气间隙失效了,我们要从整包的布置包括绝缘材料包括绝缘结构还有短路保护角度去考虑。左上方是对金属的上盖内侧做了绝缘处理,这是避免电池包上盖和高压的一些部件防止短路,把上盖击穿,还有要在模组的输出端跟模组的端板做绝缘可能也是需要加强,因为这个地方也是一个危险的点。还有母排外侧包裹绝缘纸云母纸,在高温下保证绝缘防止短路,左下方是在软包上冲的一些孔洞,如果发生短路的话,这个地方先断掉,避免打火引起火灾,右下角是590的模组,为了匹配大的M1B,它期望在同侧出正负极的,它就在模组内部有木排的搭接,通过逐渐的隔离材料做隔离,这种其实我们更要关注模组内部在热失控以后防止这个地方短路。
 
    第三部分是热失控的疏导,包括两部分,一个是气体的定向排气,另外是液冷系统快速降温。大量排气主要有两个目的,一个是减少包内的压力,主要避免上盖破裂,大量气体排出的同时也是降温,我们最终保证壳体完整的情况下把气体快速的定向的排出去,同时我们再控制喷射物的形态,定向排气我们最开始要考虑防爆阀的布置,包括内部导流,在布置的时候就会有一些通道,这是被动型的一些通道,有的情况下我们可能会主动的做一些通道,另外防爆阀外部的导流,特斯拉在防爆阀外面做了一个罩壳,避免喷射物从水平面喷出去,拐一个弯。壳体完整的话主要是考虑两个方面,一个是零部件的完整,比如负荷材料的上盖完整,另外密封界面,密封界面又可以分为上盖和下箱体之间的密封,另外一个薄弱点是很多电池包有中间掉点,这个掉点的地方比较容易失效的。喷射物在上汽防爆阀内测加了一个金属的挡片可以避免火焰直接喷出去。液冷快速降温利用一个液冷系统开起来以后,把已经热失控的电芯热量分散到其他的电芯以及其他的结构件上,它是用12V供电的,如果我们期望液冷系统能够在热失控的时候还正常工作下来,其实我们需要保证液冷系统都是完整的。右边是液冷系统开起来配合其他的包括云母板或者隔热垫整体热扩散的防护,最终热失控相邻电芯的温度和电压长时间都是保持在正常范围内,这还是一个比较有效的手段。电池包热失控报警与灭火,它推荐的是电压温度、温升速率组合的一个报警策略,据统计,很多热失控是发生在停车状况的,整车下电的时候BMS是不工作的,BMS休眠以后不采集电芯温度和电压,这个时候就需要引入一些其他的传感器,比如气压传感器,气压传感器可以设置高频或者低频的做采样,如果它觉察到电池包气压是异常的话会唤醒BMS,BMS再通过其他数据综合判断事故发生的热失控是否要触发报警信号,试验表明整个包内热失控以后不同的位置气压相对来说是比较同步的,所以这种包内放一个气压传感器就可以了。烟雾传感器是清华大学试验以后对喷射物做的搜集,固定颗粒分布由小到大,从很小的到毫米级别的都会有,烟雾传感器采样的范围也是比较广的,烟雾也可以作为定量的一个信号采集手段。灭火这块在商用车储能这块应用会比较多,乘用车应用相对少一些,它目的还是为了延长逃生或者救援的时间,灭火的原理有用液体的有用气体的。
 
    最后做一个小的总结,热扩散防护的思路或者方案,思路是相对明确的,但是各家应用的具体方案包括材料包括结构还是千差万别的,我们要考虑整体的架构包括你是用的标准模组、单模组、C2B、C2C还是其他方式,另外整体布置的情况,特别电芯这块你的体系、你的容量,另外我们要考虑一些重量、尺寸还有零部件本身的一些制造,就是防护零部件本身的一些制造以及在PACK的装配,考虑到这些以后最终获得性能和成本的平衡。感谢大家的聆听!

 
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