某電動(dòng)汽車圓形三元電池?zé)崾Э匕踩O(shè)計(jì)研究
2021-05-11 00:00:00
電車測(cè)試
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隨著三元?jiǎng)恿﹄姵啬芰棵芏群腿萘看蠓嵘姵責(zé)崾Э匕踩L(fēng)險(xiǎn)陡增，行業(yè)內(nèi)新能源電動(dòng)車起火事件時(shí)有發(fā)生，對(duì)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展帶來嚴(yán)重影響。業(yè)內(nèi)將車用動(dòng)力電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控上升，直至車輛失火的現(xiàn)象稱之為“熱失控”，研究電動(dòng)車電池?zé)崾Э匕踩鉀Q方案，目前已成為各電動(dòng)車企和科研機(jī)構(gòu)的重要課題之一。總體上，解決電池?zé)崾Э貑栴}，有主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩個(gè)維度。主動(dòng)安全維度：措施是杜絕電池單體爆炸。但因電池是連續(xù)大批量生產(chǎn)的工業(yè)品，生產(chǎn)一致性管控無法實(shí)現(xiàn)故障PPM為0，必然存在電池單體出現(xiàn)故障引起爆炸的概率，因此全球范圍內(nèi)暫無法實(shí)現(xiàn)杜絕電芯爆炸。主動(dòng)安全維度還需隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展持續(xù)突破。被動(dòng)安全維度:基于電池單體發(fā)生爆炸難以避免的前提，通過“機(jī)械-電控-熱管理”相耦合的系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)電池包不熱失控，整車不起火。如，電池單體定向爆炸、電池模組實(shí)施熱隔絕與電隔離，電池包設(shè)計(jì)排氣、監(jiān)控和內(nèi)外防護(hù)結(jié)構(gòu)，整車實(shí)施一體化熱管理散熱等措施。三、某純電動(dòng)車圓形三元電池?zé)崾Э匕踩O(shè)計(jì)方案本文研究的純電動(dòng)車是一款標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)轎車，最高車速150km/h，百公里加速時(shí)間7.6s，綜合工況續(xù)駛里程530km，具有高性能、長(zhǎng)續(xù)航的特點(diǎn)。目前，業(yè)內(nèi)主要有圓柱高鎳三元、高鎳方形和軟包、磷酸鐵鋰這幾種規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的電池類型?；谲囕v性能目標(biāo)和安全設(shè)計(jì)要求，電池單體選型主要依據(jù)電池能量密度、安全、功率三個(gè)指標(biāo)。電池上述三個(gè)指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的關(guān)系，需要平衡兼顧，從而選擇最佳電池單體型式，如表1所示。圓形三元電池，優(yōu)勢(shì)在于能量密度和安全性。當(dāng)前已批量產(chǎn)業(yè)化的此類電池，能量密度可達(dá)240Wh/kg，主要尺寸為21700型，電池單體容量5.0Ah以內(nèi)，爆炸能量較小。即使因生產(chǎn)一致性問題，電池單體在電池包內(nèi)發(fā)生爆炸，危害較小，通過完善的被動(dòng)安全解決方案，可以避免電池包熱失控。但此類電池的功率特性稍弱。方形、軟包三元電池，優(yōu)勢(shì)在于能量密度和功率密度。當(dāng)前已批量產(chǎn)業(yè)化的此類電池，能量密度可達(dá)300Wh/kg，功率密度大。但此類電池單體容量大至幾十、幾百安時(shí)，爆炸能量是圓形三元電池的數(shù)十倍甚至幾十倍，一旦發(fā)生爆炸，會(huì)極大概率引發(fā)電池包熱失控和車輛起火，被動(dòng)安全解決方案實(shí)施效果有限。磷酸鐵鋰電池，優(yōu)勢(shì)在于安全性和功率密度。因磷酸鐵鋰材料的天然特性，此類電池一般不存在爆炸起火的風(fēng)險(xiǎn)。不足之處是能量密度偏低，目前難以突破200Wh/kg，如應(yīng)用在高性能長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)車上，會(huì)出現(xiàn)電池包體積大，需求成組空間大的情況，一般高性能長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)車不選用此類電池。綜合上述分析及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，本文研究的純電動(dòng)車選用圓形三元電池，21700型，NCA體系，4.8Ah，能量密度240Wh/kg，如圖1所示。（二）四層次的熱失控安全系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)電池單體的設(shè)計(jì)核心是：即使出現(xiàn)爆炸，也要向正負(fù)極方向定向爆破，從端部釋放爆炸壓力；不得出現(xiàn)失控的側(cè)向任意方向爆破，導(dǎo)致殼體撕裂或局部溶洞，極易引發(fā)二次短路。圓形三元電池單體安全結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示?；谶x擇的21700電池單體結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)定向爆破，對(duì)電池單體內(nèi)部和外部安全結(jié)構(gòu)實(shí)施了以下設(shè)計(jì)方案：（1）殼體，厚度0.3mm，材質(zhì)選用SPCC冷軋?zhí)间搸А?/span>（2）正極，去除正極頂蓋，設(shè)計(jì)為利于電池定向爆炸排出能量的帶小孔的正極帽蓋，避免電池單體爆炸后，頂蓋殘骸進(jìn)一步連接周圍電池單體正極，產(chǎn)生二次短路。（3）負(fù)極，通過試驗(yàn)開發(fā)，設(shè)計(jì)了倒梯形的安全刻痕，電池單體爆炸安全刻痕首先被撕裂，起爆破閥的作用。（4）內(nèi)部鋼針，去除。圓形三元電池內(nèi)部鋼針，主要用于防止電池單體內(nèi)部的極片在充放電使用過程中發(fā)生坍塌，以及提高電池壽命。但鋼針會(huì)在電池單體爆炸后噴出，極易引發(fā)二次短路甚至熱失控。綜合考慮后，去除內(nèi)部鋼針，通過電池材料和極片結(jié)構(gòu)優(yōu)化，平衡鋼針去除后對(duì)電池單體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。（5）隔膜，選用陶瓷隔膜，增加陶瓷涂覆量。陶瓷隔膜相比普通隔膜耐熱性好，閉孔和收縮溫度較高，可提高電池單體的耐高溫特性，當(dāng)電池發(fā)生過溫時(shí)，可有效避免其發(fā)生內(nèi)短路；同時(shí)，還可有效防護(hù)因電池單體生產(chǎn)管控不足導(dǎo)致的毛刺等異物引發(fā)的內(nèi)短路。電池單體通過一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成電池模組，如圖3所示。電池模組預(yù)防熱失控的核心措施是熱隔絕和電隔離，如圖4所示。圖4展示的是圖3電池模組的分解圖。熱隔絕的主要作用是實(shí)現(xiàn)電池單體爆炸后產(chǎn)生的熱量和能量及時(shí)帶走，避免周邊電池單體急劇升溫、受損甚至連鎖爆炸。電隔離的作用是避免電池單體爆炸后排出的金屬等導(dǎo)電飛濺物，形成周邊電池單體之間的外短路從而造成爆炸連鎖反應(yīng)。（1）灌封膠，綠色所示，360°包覆電池單體。該膠具有導(dǎo)熱系數(shù)高、自流平和絕緣性能好、輕量化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電芯360°傳熱和電池包內(nèi)電池單體溫度分布均勻，能阻隔爆炸電池單體產(chǎn)生的熱量輻射周邊電池單體，避免引發(fā)連鎖反應(yīng)。（2）液冷扁管，形成電池冷卻系統(tǒng)冷卻液快速流動(dòng)的通道，快速帶走電池單體爆炸后的熱量，避免熱量在電池模塊內(nèi)積聚，影響周邊電池單體安全。（3）固定夾板，用于固定電芯，同時(shí)形成電池模組內(nèi)的排氣通道，利于有序和定向釋放電池單體爆炸壓力。（1）云母片，材料是云母，具有絕緣性好，強(qiáng)度高，耐溫性優(yōu)的特點(diǎn)，是避免電池單體爆炸后造成連鎖外短路的第一道防線。（2）集流板靜電環(huán)氧噴涂，集流板連接著電池單體的正負(fù)極，是電池模組內(nèi)電流輸出的通道。為避免集流板上形成內(nèi)短路，實(shí)施了靜電環(huán)氧噴涂，是避免電池單體爆炸后造成連鎖外短路的第二道防線。（3）柔性可熔斷連接，與電池模組內(nèi)每個(gè)電池單體連接，一旦發(fā)生外短路，大電流經(jīng)過時(shí)，立即熔斷，杜絕外短路。此外，相鄰的電池模組之間，也需設(shè)計(jì)電隔離結(jié)構(gòu)，如圖5所示。主要是采用絕緣材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件，杜絕電池模組之間通過爆炸物連接，發(fā)生電池單體外短路爆炸連鎖反應(yīng)。圖內(nèi)片狀隔離結(jié)構(gòu)材質(zhì)也為云母。主要是電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。如圖6所示。（1）阻燃的上殼體，以塑代鋼，輕質(zhì)高強(qiáng)阻燃塑（2）高強(qiáng)度電池下殼體，確保整車碰撞時(shí)電池包主體結(jié)構(gòu)不變形。主要選擇6061擠出鋁型材，屈服強(qiáng)度240Mpa，抗拉強(qiáng)度260Mpa。采用縱橫梁設(shè)計(jì)，縱橫交錯(cuò)的桁架結(jié)構(gòu)有力地承載幾百公斤的電池包，實(shí)現(xiàn)電池包殼體與車身結(jié)構(gòu)一體化，保護(hù)電池包內(nèi)的電池模組和電池單體。（3）防刺穿結(jié)構(gòu)，包括電池包防撞梁、防護(hù)板及底板抗石擊涂層。避免電池包因底部穿刺造成模組結(jié)構(gòu)失效。防撞梁采用AL6063材質(zhì)，T6處理，底部磨損后防撞梁防銹性能不下降。防止整車行駛極端工況下，路障與電池包直接接觸，避免電池包因底部穿刺造成模組結(jié)構(gòu)失效。防護(hù)板及底板抗石擊涂層，可避免路面激勵(lì)的石頭等物體擊打電池包，造成局部結(jié)構(gòu)損壞。主要是通過整車級(jí)熱管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)安全。電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池包安全狀態(tài)，電池單體一旦爆炸，立即開啟整車熱管理系統(tǒng)的核心部件———智能溫控中心、電子水泵、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、熱交換器等部件工作，冷卻液快速循環(huán)為爆炸電池單體降溫，避免熱量集聚和向鄰域電池傳播。同時(shí)上報(bào)電池故障。如圖7所示。基于上述四層次設(shè)計(jì)方案，開展了電池單體、電池模組、電池包和整車四層次、近萬次試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了一顆電芯爆炸，電池包不起火，證明方案可用于產(chǎn)品。1.電池單體，爆炸試驗(yàn)7000次，均定向爆炸，無側(cè)面爆破，殼體局部無熔洞。2.電池模組，爆炸試驗(yàn)1500余次，電池單體爆炸后，電池模組無外短路，不爆炸，不起火。3.電池包，爆炸試驗(yàn)700次，電池單體爆炸后，電池包不爆炸，不起火。4.整車，爆炸試驗(yàn)70次，電池單體爆炸后，整車運(yùn)行不受影響。市場(chǎng)使用驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。截至2020年12月底，公司2萬輛車近四年使用，累計(jì)監(jiān)控識(shí)別6例電芯爆炸故障車輛，均未起火。證明方案對(duì)解決高比能圓形三元電池?zé)崾Э匕踩行А?/span>本文分析了電動(dòng)汽車三元電池?zé)崾Э卦?、主?dòng)和被動(dòng)兩種熱失控安全解決思路?；诠灸晨罴冸妱?dòng)汽車，設(shè)計(jì)了圓形三元電池的熱失控安全被動(dòng)解決方案，從電池單體、電池模組、電池包、整車四層次，詳細(xì)闡述了方案特點(diǎn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證及市場(chǎng)上車輛批量使用，驗(yàn)證了方案的有效性，供業(yè)內(nèi)參考。
