电动汽车用动力锂离子电池系统安全性设计

电动汽车用动力锂离子电池系统安全性设计拟稿：张建华2014、7、31目录序言锂离子电芯安全特性几种锂离子电芯安全特性分析由锂离子电芯组成的电池PACK的安全性特性分析锂离子电池PACK安全性设计结论序言特斯拉电动汽车六次碰触起火事件7月4日，在一起离奇的盗窃事件中，特斯拉意外成为了主角。一名身份未明的男子7月4日早间盗窃ModelS汽车后，引发警方的高速追逐。该男子随后在西好莱坞撞上多辆汽车，并在撞击路灯后解体成两半，引发电池着火。7月7日，特斯拉表示，该公司将调查在高速追逐中因碰撞而解体成两半，并着火的ModelS汽车残骸。从2013年下半年开始，特斯拉已经发生了六起起火事件。其中两起是行驶中车辆自燃，两起是碰撞起火，原因是车主驶过路面上的残骸致使电池箱被刺穿后起火，有一起在充电时发生，还有一起原因不明。1）11月6日，据海外网站报道，一辆特斯拉ModelS电动车在美国田纳西州纳什维尔附近再度遭遇起火事故，车头几乎全部烧毁。2）10月1日，一辆ModelS撞上了路中的金属残片引发事故着火燃烧,车辆前部的一块电池包起火。3）10月18日中旬，在墨西哥，一辆高速行驶特斯拉ModelS撞到了一堵混凝土墙，紧接着又撞上了一棵大树，随后起火燃烧。结论：汽车底盘在受到猛烈冲击变形后会产生着火事故；底盘受到猛烈冲击类似于挤压和针刺的综合测试。比亚迪e6着火事件2012年5月26日凌晨3时08分，\t"/news/201206/_blank"深圳滨海大道西行侨城东路段发生的一起重大交通事故，让电动汽车的安全问题成为了全世界关注的焦点。当时，一男子载三女驾驶一辆红色\t"/news/201206/_blank"日产GT-R\t"/news/201206/_blank"跑车，高速撞上两辆同方向行驶的出租车。其中一辆\t"/news/201206/_blank"比亚迪E6电动出租车起火燃烧，一名男性出租车司机连同两名女性乘客被困火中当场死亡。涉及各领域的13名知名专家，包括电动汽车整车及动力系统、部件安全、结构安全、汽车\t"/20120813/_blank"碰撞、电子电气安全、动力电池、\t"/20120813/_blank"汽车交通\t"/20120813/_blank"事故鉴定、火灾调查、材料燃烧特性等专业领域。专家分别来自中国汽车技术研究中心、\t"/20120813/_blank"交通运输部、科学研究院、公安部\t"/20120813/_blank"天津消防研究所、广东省消防总队、北方车辆研究所、S\t"/20120813/_blank"MG等，进行为期70天的调查。专家组得到的结论是：电池没爆炸，着火起因是e6受到两次严重\t"/20120813/_blank"碰撞，车身后部及电池托盘严重变形、动力电池组和高压配电箱受到严重挤压，导致部分动力电池破损短路、高压配电箱内的高压线路与车体之间形成短路，产生电弧，引燃内饰材料及部分动力电池等可燃物质。e6的动力电池系统在整车上的安装布局、绝缘防护及高压系统等方面设计合理，“整车安全未见设计缺陷”。结论：汽车底盘在受到猛烈冲击变形后会产生着火事故；底盘受到猛烈冲击类似于挤压和针刺的综合测试。锂离子电池在新能源汽车应用上必需考虑的四个安全层面：电芯自身安全性问题；电池模组安全性问题；电池PACK安全性问题；使用过程的安全性问题；锂离子电芯安全性特征锂离子电芯分类1）圆柱形；2）钢壳方形及塑壳方形；3）液态软包；锂离子电芯材料安全特性分析正极材料、负极材料、电解液和隔膜是锂离子电芯必不可少的四个组成部分，对锂离子电芯的安全性起到决定性作用。锂离子电芯内部各化学成分是导致装有锂离子电池车辆起火燃烧的先决条件。正极材料对安全性的影响正极材料对动力电池安全性的影响主要表现在两个方面：正极脱嵌的锂离子过多，在负极表面析出形成锂枝晶。一方面，锂枝晶容易刺穿隔膜，造成电池内部短路，而且金属锂的熔点较低，即使锂枝晶没有刺穿隔膜，只要温度较高，金属锂就会熔融，从而将正负极短路；另一方面金属锂非常活泼，会直接和电解液反应放热，造成安全事故。正极材料与电解液发生氧化-还原反应放热，造成热失控。三种正极材料中锰酸锂氧化-还原温度为250℃左右，磷酸铁锂更是高达400℃，而镍钴锰酸锂氧化-还原温度只有180℃左右，具有较强的氧化性，易氧化放热而造成热失控。负极材料对安全性的影响负极材料的安全性通常受负极材料的热稳定性和负极表面固体电解质界面膜（SEI膜）热稳定性影响。负极表面SEI膜的热稳定性由负极材料和电解液共同决定，SEI膜的主要成分为有机碳酸盐，其分解温度约为130℃，当这层起钝化作用的界面膜受热分解后，高活性的含锂负极裸露于电解液中，导致它们之间发生剧烈的氧化还原反应，放出的热量引起电池温度急剧上升，并引发其他可能的放热反应，使电池进入热失控状态。电解液对安全性的影响电解液对动力电池安全性的影响主要体现在两个方面：电解液溶剂组分的高温、高压稳定性决定电池整体安全性能。2）特殊功能添加剂对改善SEI膜成膜效果、控制电解液中酸和水含量有显著作用。还可以通过阻燃添加剂和过充保护添加剂抑制热失控和高电压造成的安全危险。隔膜对安全性的影响大量试验结果证实，导致正常使用条件下电池起火燃烧等安全事故的主要原因是电池内部短路。内部短路导致安全事故的原理是：隔膜被硬物、毛刺、锂枝晶等刺破形成微小的通孔，正负极在通孔处发生短路，短路时产生的热量使隔膜熔融收缩，短路面积逐渐扩大，积累到一定程度后，热失控导致电池起火燃烧。几种锂离子电芯安全特性分析锂离子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，可引起壳体短路，引起火灾；在剧烈碰撞下，电解液泄漏遇明火会燃烧。锂离子钢壳电芯安全特性分析特点：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；外壳体为钢壳，钢壳表面带第三级性：在充放电过程中，正负极与钢壳有电压差，压差，充电过程的电压差与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。锂离子塑壳电芯安全特性分析锂离子塑壳电芯安全特点：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：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。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。由锂离子电芯组成的电池PACK安全特性分析由约7000只锂离子18650电芯组成的电池PACK特斯拉ModelS车底盘及电池PACK：特斯拉ModelS车底盘为铝合金制造，铝合金材料包括板材、挤压件、铸件3个种类。挤压件应用于前后的侧面防撞梁等部位，截面呈8字形。铸件应用于后轮罩内侧等形状复杂的部位，地板等平面部件则使用板材。

地板为双层构造，两层之间配备锂离子充电电池，特斯拉出于对成本和安全性的考虑，采用为EV专门设计且尺寸为18650的电芯，将这种电池竖起来排列，电池组的厚度也只有65mm，非常之薄。从某种意义上说使用锂离子18650电芯的特斯拉电动汽车的电池PACK在正常运行过程中是安全的，保护也是完备的；但是在行驶过程中遇到地盘碰撞这样的异常情况下，所有的电气防护均失效；着火是必然的。着火原因分析：18650电芯自身问题：外壳体是钢壳，并做为负极使用；当多节串联使用时，由于外部碰撞可造成多节串联电池短路，在上百安培电流可使所有连接片溶化并着火燃烧。电池箱在多点碰触挤压穿刺后的高电压短路可引起火灾；该车的底盘基本为铝合金制造，铝合金材料包括板材、挤压件、铸件3个种类。在底盘碰撞后，金属部分会以短路导体形式将多节电池短路，引起火灾。此为特斯拉电动车碰撞着火的根源所在。18650电芯3节串联框图故障分析：图三当第一节壳体与第三节壳体短路时，导通电流如下：I=(B1+B2)/(Br1+Br2+Lr1l-+Lr23)=(3.6V+3.6V)/(5mr+5mr+1mr+1mr)=7.2V/12mr=600A；如此大的电流会瞬间烧毁连接线，连接片。18650电芯10节串联框图故障分析：短路电流计算：当第一节壳体与第十节壳体短路时，导通电流如下：I=(B1+B2+---+B9)/(BTr1+BTr2+---+BTr9+Lr1l-+Lr12+---+Lr89)=(3.6V*9)/(5mr*9+1mr+1mr*9)=32.4/55mr=589A；如此大的电流会瞬间烧毁连接线，连接片。由96只锂离子3.2V/200AH电芯组成的电池PACK原理框图参考3节及10节短路情况，短路电流大于1000A，故如此大的电流会瞬间烧毁连接线，连接片。锂离子电池PACK安全性设计电池PACK安全性设计可从空间三层次和时间两阶段着手动力电池安全性设计的空间三层次从电芯层考虑安全性电芯本征安全性电解液为有机体，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；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。从电池模块层考虑安全性从五个方面考虑：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。从电池PACK系统层考虑安全性常规安全性设计包括：电气性能安全设计；安全绝缘设计；温度控制设计；IP防护等级设计。重点设计：异常碰撞安全设计：考虑四个方位：前碰、后碰、侧碰（左右侧）、底盘碰；重点：底盘碰撞设计，细节包括：电池PACK的碰撞绝缘设计，电池PACK壳体的非金属化设计，碰撞结构强度设计等。动力电池PACK系统安全性设计的两个环节正常过程安全性设计三个方面：静态过程安全设计；行驶过程安全设计；充电过程安全设计。六个关键内容：静态安全性设计；充电安全性