1、动力电池模组安全分析与设计张雄 2018.11.2401动力电池安全性分析02动力电池安全性设计03请在此添加标题04请在此添加标题动力电池安全性分析 乘员安全最终是目的和出发点，也是最高标准 前端某一环节的绝对安全，才能确保最终的乘员安全 矛盾在于：处于焦点的电芯被寄予了最高的期望，大家都认为它要绝对安全，或者将来会绝对安全，真的可行吗？乘员安全整车安全整包安全模组安全电芯安全化学体系动力电池安全性分析本质安全性：化学体系1、常见动力电池材料体系：三元体系 NMC/NCA 磷酸铁锂LFP 钴酸锂LCO 锰酸锂LMO2、优势与缺陷：钴酸锂LCO成本高，安全差 锰酸锂LMO寿命低 剩下的磷酸铁锂
2、LFP和三元一个偏向安全，一个偏向容量3、常见动力电池代表形态：方形电芯/圆柱电芯/软包电芯 动力电池安全性分析本质安全性：化学体系重要组分常见材料材料实例备注正极嵌锂过渡金属氧化物钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元素复合材料、磷酸铁锂负极电位接近锂电位的可潜入锂化合物人造石墨、天然石墨、石墨化中间相碳微珠和金属氧化物电解质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或它们的复合膜，PP/PE/PP三层隔膜外壳金属钢、铝锂离子电池主要组分常见材料动力电池安全性分析本质安全性：化学体系 热失控发生时，各种材料相继发生
3、热化学反应，放出大量的热量，形成链式反应效应，使得电池体系内部温度不可逆快速升高；链式反应过程中，电解液气化及副反应产气造成电池体系内压力升高，电池喷阀破裂后，可燃气体被点燃发生燃烧反应；单体电池的热失控特性表现为其组成材料反应热特性的叠加。动力电池安全性分析本质安全性：化学体系 材料可燃属性：组成锂离子电池的主要材料可燃；电芯能量密度：锂电池的高能量密度，一旦内部失效短路，内部储存的电能迅速转化为热能，可以把电池材料加热到燃点以 上；正极材料分解：三元正极材料或钴酸锂，电极材料形成的高温会分解释放氧原子，进而氧化集流体金属箔材（铜箔和铝箔），燃烧释放很高热量；电芯失效放热，电极材料燃烧，正极
4、材料分解导致剧烈燃烧/爆炸，锂电池失效三部曲，环环相扣，链式反应（磷酸铁锂没 有第三步）结论：锂电池从化学体系的本质上不安全动力电池安全性分析锂离子18650电芯安全特性分析：锂离子18650电芯外表尺寸：直径18.0mm，高度65.0mm。锂离子18650电芯结构特点：正极：顶部原点；负极：壳体；塑料膜：每个18650电芯都带一个包装塑料膜，起绝缘作用；锂离子18650电芯安全特点：电解液：属于有机可燃物，在一定温度下会燃烧，引起火灾；在电解液泄漏时，见火即着；隔膜：在一定温度（大于160度）下会收缩，造成正负极短路，引起火灾；外壳体：钢壳，做为负极使用；当多节串联使用时，遇到碰撞，可引起壳
5、体短路，引起火灾；在剧烈碰撞下，电解液泄漏遇明火会燃烧。动力电池安全性分析锂离子钢（铝）壳电芯安全特性分析：正极，负极与壳体有电压差，壳体具有第三极性；在充放电过程中正极，负极与壳体有电压差变化；锂离子钢壳电芯结构特点：壳体：与正极，负极形成第三极性，有电压差；外加塑料套：每个钢壳电芯都带一个塑料套，起绝缘作用；锂离子钢壳电芯安全特点：电解液：属于有机可燃物，在一定温度下会燃烧，引起火灾；在电解液泄漏时，见火即着；隔膜：在一定温度（大于160度）下会收缩，造成正负极短路，引起火灾；外壳体为钢（铝）壳，钢（铝）壳表面带第三级性：在充放电过程中，正负极与钢（铝）壳有电压差，压差，充电过程的电压差与
6、放电的电压差电压值有所不同；电压差的产生是通过电解液作为导体传输到正负极耳上；当多节串联使用时，在剧烈碰撞下，壳体可能会短路引起火灾；电解液泄漏遇明火会燃烧。动力电池安全性分析锂离子塑壳电芯安全特性分析：电解液：属于有机可燃物，在一定温度下会燃烧，引起火灾；在电解液泄漏时，见火即着；隔膜：在一定温度（大于160度）下会收缩，造成正负极短路，引起火灾；外壳体：塑壳，具有极高的绝缘性能；在剧烈碰撞下：电解液泄漏遇明火会燃烧，引起火灾。动力电池安全性分析锂离子液态软包电芯安全特性分析：锂离子液态软包电芯安全特点：电解液：属于有机可燃物，在一定温度下会燃烧，引起火灾；在电解液泄漏时，见火即着；隔膜：在
7、一定温度（大于160度）下会收缩，造成正负极短路，引起火灾；外壳体：塑料软包，具有极高绝缘性能；在剧烈碰撞下：电解液泄漏遇明火会燃烧，引起火灾。动力电池安全性分析 测试安全性：各种测试和产品认证的安全性，标准是使用条件和极端条件的安全表现，只能模拟，验证的是设计的合理性，也仅仅是设计的合理性（化学体系和物理结构）；使用安全性：正常使用过程中的事故几率，由制造缺陷（设计到位但没有做到但又无法全部检出）和使用寿命（到了生命周期 的末端要出问题了）决定；设计可以很合理，制造缺陷和寿命末端的安全风险，无法彻底消除。缺陷发生的必然性，加上化学体系本质上的不安全，导致 起火/爆炸具有必然性。可以设想汽车的
8、例子，碰撞试验，制造缺陷，老化风险，高速+汽油电芯安全性：真的有办法不出事儿？01动力电池安全性分析02动力电池安全性设计03请在此添加标题04请在此添加标题动力电池安全性设计模组安全设计原则：1、良好的设计，确保不要发生事故;2、如果不行，发生事故了，最好能提前预警，给人以反应时间;3、故障已经发生，则设计的目标就变成阻止事故过快蔓延。-提前预防 -发生后及时监控动力电池安全性设计 电解液为有机体，易燃物；措施：防止电解液外泄漏，与电火花隔离；隔膜对温度比较敏感，超过160度即可能使正负极短路；措施：电池温度控制，对电池进行热管理；电池温度控制在0-45度之间。锂离子在遇到水汽时会即刻着火；
9、措施：采用封闭措施，或注入惰性气体与水汽隔离；充放电安全性要求 电芯过充或过放会引起火灾；措施：在充放电过程中进行严格充放电管理。BMS要可靠的发挥管控作用。从电芯层考虑安全性:动力电池安全性设计从模组层考虑安全性:电气性能：充放电的安全性设计；安全绝缘：爬电绝缘距离的安全性设计；电芯串并联结构的安全性设计；温度控制：对电芯模组温度一致性设计和热失控设计；在结构上考虑热失控的安全性设计；IP防护等级：满足整车要求的IP防护等级设计；异常碰撞：碰撞后的壳体防短路设计，绝缘防护层设计。电池模组安全设计电池模块的设计需要满足一定的安全、机械和环境的要求，特别是安全性能，这些要求一方面根据外部的法规要
10、求，如GB/T 31485-2015 电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法：安全性试验电气结构环境人员踩踏人员端坐模组主正主负短路内部最小并联单元短路采样线缆短路CMU内接口短路模组滴灌模组全泡模组半泡（侧浸）1过放电2过充电3短路4海水浸泡挤压模组承压跌落模拟产线跌落模拟其他滥用跌落加热高温存储温度循环热冲击凌霜凌霜机械冲击振动试验针刺电池模组的安全性试验：动力电池安全性设计热管理系统设计：模组下边冷却模组侧边冷却电芯之间冷却动力电池安全性设计阻止热扩散设计：1、优化电芯设计 电芯内部增加阻燃材料，或者抑制化学反应的材料 2、隔热设计 电芯与电芯之间的隔热的设计，包括电芯与外界的一些辐射放
11、热、对流放热等等，可以在电芯中间放一 些隔热材料 3、改善热传播 放一些PCM材料改善一个热传播的情况动力电池安全性设计1.模组的高压连接外短路模组的短路危害方式可分为两种：(1)模组的短时间的外短路，在每个Cell的内部设计一个Fuse(国外有针对每个电芯焊接一个Fuse的设计，国内也有针对每个电芯配一个贴片Fuse的设计，具体形式可以有很多种)，在短路瞬间，断开电流回路,起到短路保护的作用。(也有采用PTC进行保护的方案，温度升高时电芯电阻陡增，从而限制大的短路电流。)(2)模组长时间的短路，上面我们已经提到，通过电芯的fuse，当模组短路时，可以断开回路，是否意味着pack系统因为电流回
12、路的断开就安全呢?实际上并不是这样的。这一点容易被忽视掉。另外一种是电芯外部增加fuse的设计方案，比如在模组的busbar上设计薄弱的过流界面。模组短路时，busbar会熔断，从而起到短路断开功能。这样设计有一个优点：短路断开时，电芯不会有反向电压。同样的，在pack系统中，该反向电压会比较高，busbar熔断常伴随着拉弧等安全问题短路设计：动力电池安全性设计2.模组的采样线短路短路形式可以分为两种情况：（1）采样线的直接短路 采样线直接短路常出现在线束被挤压的情况下。比如模组的搬运过程中可能不小心挤压到线束，或者由于pack设计的不合理，在振动、冲击、碰撞等情况下，线束可能破损引起短路。（
13、2）采样线进水短路。这种类型的短路电流受短路介质、接触情况影响，短路电流一般很小。该短路的破坏形式也比较复杂，一方面是大阻抗小电流放热，一方面有水电解引起的线束燃烧风险。通过采样线束增加fuse的方法不能完全解决该问题。基于此，pack设计上需要讲究，避免水进入到采样线束连接接头，如有可能，可考虑采样防水连接器。短路设计：动力电池模组设计过流设计:录自德国BEA估算法:单条铜母排载流量=宽度(mm)X 厚度系数双母排载流量=宽度(mm)X 厚度系数 X 1.5(经验系数)铜排和铝排也可以按平方数来,通常铜应该按5-8A/平方,铝应该按3-5A/平方按持续功率72.5kwh,最大功率164.5k
14、wh计算，选取铜排厚度为2mm，持续电池为191A，最大电流475A，按照估算法，截面积为191A/5A=38.2(mm2)；从右表进行估算截面积为43.5mm2；取两者中最大值，确定截面积为43.5mm2，导线截面积选取50mm2动力电池安全性设计相关技术参数：导热系数：水的103倍 热导率：当量银的30000倍 导热效率：98%导热密度：6002000w/cm2 导热长度：70m 等温性：范围 热阻：接近于 导热速度：当量铜的倍，轴向温差：热损：工作温度：噪声：寿命：年真空超导热管应用动力电池安全性设计相变材料：一种利用材料在相态发生转变过程中，伴随着大量吸收和释放热量的一种材料。动力电池安全性设计碳纤维热塑性复合材料：一种含碳量在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料。碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。感谢观看
