新能源汽车动力电池热失控环境下数据解析研究

摘要:当前,全球面临着严重的资源短缺以及环境污染问题,为应对环境和气候变化,新能源汽车成为汽车行业主要 发展趋势。但是新能源汽车自燃事故时有发生,严重影响了新能源汽车行业发展。锂离子电池是系能源汽车的主要电 力来源,电池安全性对于新能源汽车发展具有直接影响。其中新能源电池热失控气体是导致汽车发生自燃的主要可燃 物,严重影响到新能源汽车行业的发展。本次首先针对新能源电池热控问题分析,以此认识到新能源电池热失控主要 原因,基于此基础上探讨新能源汽车动力电池热失控环境下的相关数据,进而认识新能源汽车动力电池热失控影响作 用,并提出相应的新能源汽车动力电池热失控预防对策,总结新能源电池安全发展方向,以此为未来新能源电池安全 发展提供相关参考建议。

引言

传统汽车对石油等不可再生能源的消耗不断加剧, 严重影响了环境质量,同时也为未来社会的发展埋下隐 患。为了实现可持续发展,国家推行绿色发展观念,而 新能源汽车在其中扮演着重要的角色。新能源汽车有着 无污染,低排放的优点,实现了节能与环保的结合,但 同时,新能源汽车在安全性能上也带来了一系列问题。2018-2019 国家监管平台统计数据显示,我国新能源汽 车每行驶 4.47 亿公里发生一次燃烧事故。而 2019 年公 开报道的新能源汽车着火事故达到 128 起。

新能源汽车 独特的以电池、电机、电控为核心的三电系统,使其动 力结构,起火的原因与传统汽车有着比较显著的区别, 同时也给其独特的系统数据记录功能,使得我们能通过 新能源汽车数据对事故现象进行分析 [1]。新能源汽车动 力电池热失控数据有着数据类别丰富,数据量庞大等特 点,为了研究新能源汽车火灾事故发生原因,并形成新 能源汽车安全隐患的有效监测方法,本文通过对新能源 汽车火灾事故数据与全生命周期数据的分析,归纳总结 新能源汽车火灾事故的参数以及它们对热失控事故发生 的影响,从数据上对新能源汽车热失控事故发生进行监 测与判定。

1 新能源电池热控问题

新能源电池使用中一旦出现热失控问题,容易引发 自燃,严重影响驾驶人生命安全以及财产安全。所以需 要针对新能源电池热失控问题有综合认识,导致出现电 池热失控的原因主要为:当前新能源汽车企业数量迅速 增加,然而电池使用投入金额数量较大,部分企业会将 此部分业务整体承包给电池生产厂商,电池生产后经过 检验合格才能够到厂家,完成整个车辆的组装工作。在 这一方式的应用下容易导致技术上存在不匹配,电力供 应和终端用户参数之间有所差异,时间越长电池出现热 失控的风险越大。同时在电动车使用中,提速以及加速 比较快,部分驾驶人员为获取驾驶激情,会针对电池组 实施改装,改装后电池供应电压也会有所改变,和原厂家配置参数存在不同,进而导致电池组运行和充电参数 出现改变,进而引发出现电池热失控。

关于环境对新能源电池热失控的影响,主要是受到 电池结构特性的影响,在高温环境下,SET 膜、EC 以及 电解液等会出现分解,电解液的分解物也会和正极、负 极发生反应,电芯隔膜进而被融化分解,各种反应的产 生会引发出现大量热量。隔膜融化也会导致出现内部短 路,随着电能量的释放也会加大热量生产。在以上累计 过程中,进而出现相互增强的破坏作用,最终导致电芯 防爆膜破裂,喷出电解液,发生燃烧。其中三元系电池 和磷酸铁锂电池相比,正极材料更容易出现分解反应, 释氧过程中会进一步加快发生热失控。

2 新能源汽车全生命周期数据分析方法

新能源汽车动力电池全生命周期数据涵盖电池生产 原始出厂直至车电分离完成退役全流程的数据。其中, 车载运行信息涵盖了整车数据(整车状态、车速、总电 压、总电流等)、驱动状态(驱动电机状态与序号等)、 车辆位置数据(定位状态)以及电池极值和报警数据的 车载运行信息数据库。车载运行信息在热失控电池的分 析过程中具有重要价值,可以有效反映动力蓄电池在车 载使用过程中的各项指标变化情况 [4]。

为了评判新能源汽车使用过程中是否存在安全风险, 我们对其全生命周期数据中车载运行信息进行了分析, 其中最高 / 最低单体电压与压差分析、最高 / 最低温度及 温差分析、充电习惯分析、报警形式分析,对 BMS 的控 制策略的针对性分析(包括充放电电流限制,充电阶段 高电压区间过流分析等)。通过各项新能源汽车运行过 程典型的参数变化分析,了解故障的发生原因。

1)最高 / 最低单体电压与压差分析

在标准运行条件下,新能源汽车单体电池电压在全 生命周期时间内应该随电池的标称电压,在一个稳定的 范围内上下变化,同时各单体电池电压之间的压差应在 0.2 V 以内。单体电池发生热失控时,其电压往往在失控 前有电压降低,与其他电池压差放大的征兆,以此可以判断可能发生异常的电芯位置 [5]。例如,某发生热失控 电池 A 的单体电池电压在全生命周期内时域变化曲线、 最低单体电压对应序号图如图 1。

 

从图 1 左边的压差曲线图中可以看出,电池 A 全生 命周期内单体最高电压较为恒定,而单体最低电压在时 域上呈现缓慢降低的趋势,单体压差也出现了缓慢增加 的情况,大部分时间未超过 0.1 V,平均压差为 0.042 9 V, 但在事故发生前最后时刻压差急剧增大至 1.392 V。从事 故前一段时间的最低单体电压电芯序号图来看内,最后 时刻 46 号电芯(图中红色标注)出现在最低电压,结合 现场调查判定,46 号电芯引发了热失控。

2)最高 / 最低温度及温差分析

温度参数是比较直观的单体电池热失控现象指标, 在标准运行条件下,单体电池最高 / 低温度随电池的充 放电流程规律性变化,单体电池最高温度普遍不超过 50 ℃,最低温度可低至 10 ℃左右,并且最高、最低温 度之间的温差处于较为恒定的范围内。当单体电池发生 热失控时,其和其附近的电池温度将呈现上升趋势,并 且电池温差将进一步放大。例如,电池 B 的单体电池温 度在全生命周期内时域变化曲线如图 2。

从图 2 看,电池 B 在全生命周期内温度随电池的充 放电进行有规律的变化,最高温度和最低温度在标准范 围内,但两者的温差不太稳定,有数次温差达到了 10 ℃, 并且在事故发生前,最高单体温度发生了急剧上升的情况,温差也随之大幅上升,说明在事故开始时单体电芯 已经由于失控温度不断上升,由发生失控的电芯序号(23 号)结合新能源汽车火灾事故现场调查可以推断出动力 电池包首次发生热失控导致升温的模组部位 [6]。

 

3)动力电池绝缘电阻分析

新能源汽车动力电池的绝缘电阻通常随汽车的充放 电在两个端值间来回变化,对于不同的新能源汽车,这 两个端值可以在(1 000~10 000)kΩ 之间,当最低绝缘 阻值低于 100 kΩ 时,动力电池有失控的风险。例如, 图 3 为电池 B 在全生命周期内的绝缘电阻时域变化分析 图。

从图 3 中可以看到,该电池在全生命周期内绝缘 电阻处于 4 000 kΩ 与 4 500 kΩ 两个端值间来回变 化,偶尔上下端值会发生变化,但最低绝缘电阻依 然 在 3 500 kΩ 以上。而在图中最后的时刻,绝缘电阻 从 4 500 kΩ 急剧下降至接近于 0,接着动力电池发生了 热失控现象。

4)多参数时域内共同演化分析

新能源汽车动力电池的电压、温度、绝缘电阻等多 参数在全生命周期内的演化有着时域上的先后顺序,可 以进一步分析新能源汽车事故的发生原因。在绝缘电阻 和低压线束失效的情况下,全生命周期数据中绝缘电阻 参数首先降至 0,然后动力电池电压下降,温度上升;在外部热源引发动力电池热失控的情况下,动力电池周 围传感器温度受外部热源影响先出现缓慢上升情况,随 后动力电池热失控引发,动力电池温度剧烈上升,同时 动力电池的电压与绝缘电阻快速下降;而在碰撞引发动 力电池热失控情况下,动力电池电压与绝缘电阻的下降, 以及温度的上升,发生的时间点则较为接近 [7]。

图 4 为新能源汽车 C 在绝缘电阻失效模式下发生动 力电池热失控事故的全生命周期数据分析结果,在事故 发生前的时间段内,绝缘阻值先从 4 300 kΩ 快速降至 0, 电池传感器温度也随之开始上升,大约在 40 s 后动力电 池单体电压最低值也出现了异常下降,直到降至 0.5 V 以下时才稳定下来,此时电池最高温度达到 50 ℃,并在短时间的稳定后继续往上增加。

5)BMS 控制策略针对性分析

分析全生命周期数据在BMS控制策略中的风险点, 主要方法是通过对比实际数据与控制策略的符合程度, 判断新能源汽车的充放电电流、充电高压过流是否存 在失控风险。例如,对新能源汽车 D 的 BMS 控制策略 分析,其技术协议对恒流充电电流要求,在 0 ℃以下 不允许充电,但实际在该新能源汽车的全生命周期数 据分析过程中,发现该汽车在(-5~0)℃期间有实际的充电情况(图 5)。当新能源汽车频繁处于标准协议 要求的充电电流、充电温度范围外进行充电行为时,过 量的充电将会导致电池进一步发生析锂现象,在电池内 部累积产生锂枝晶,锂枝晶在与电解液反应过程中产生 Li2CO3、LiF 等非导电离子,从而加大了局部区域的电阻, 在长时间的积累下高电阻区可能发生热聚集,灼穿电池 隔膜,从而导致动力电池发生热失控。

 

 

 

3 电池热能失控的分析与应对

在以上数据研究中,最高 / 最低单体电压与压差分 析中发现电池在发生事故之前最后时刻压差会出现急 剧增大情况,高达 1.392 V,同时也会出现最低电压, 进而导致出现热失控;同时关于最高 / 最低温度及温差 分析中发现,如果是在正常环境下,单体电池最高温度 在 50 ℃,最低约为 10 ℃,温差较为恒定,如果单体和 附近电池温度出现上升趋势,温差逐渐加大,如在 10 ℃, 单体温度出现急剧上升,则存在有热失控风险。

针对此 情况下可以加大对单体电池电压监控,以此实现对热失 控事故的预防;在动力电池绝缘电阻研究中,发现汽车 充放电导致电池绝缘电阻在两个端值间出现变化,通常 是在(1 000~10 000)kΩ,如果最低绝缘阻值在 100 kΩ 以下,可能会出现失控风险;在多参数时域内共同演化 分析中发现,如果绝缘阻值出现急剧下降,电池传感器 温度也有所上升,也就会导致电池单体电压最低值出现 一定降低,

此情况下可能会引发事故;在 BMS 控制策略 针对性分析中发现,新能源汽车频繁处于标准协议要求 的充电电流、充电温度范围外进行充电行为时,过量的 充电会引发电池出现析锂现象,在锂枝晶在与电解液反 应过程中产生 Li2CO3、LiF 等非导电离子,对于电池内部 电阻有所加大,长此以往容易出现高电阻区可能发生热 聚集,提高了电池热失控风险。针对此问题,应该尽量 减少电池过量充电行为,加大电池安全保护,进而减少 热失控事故发生几率。

针对电池热能失控问题,可以采用以下方式实施预 防和应对,具体为:第一,设置安全阀,同时也需要严 格把控安全阀压力值范围;第二,安装热敏电阻,以免 出现电池过充或者短路问题;第三,实现 BMS 精确热管 理,电池使用中也可以积极采用水冷、风冷等实施电池 降温;第四,在电解液中适当添加添加剂,以能够有效降低电解液的可燃性;第五,提升 SEI 成膜质量,比如 可以适当的在电解液中添加 LiCF3SO3 等,以能够进一步 提升 SEI 中的无机成分;第六,阻止正极材料和电解液 发生反应,比如可以在电解液中使用添加剂或者采用材 料实施正极材料包覆;第七,提升隔膜熔点,比如可以 在隔膜两侧涂陶瓷层;第八,提高新能源电池使用规范性, 减小或杜绝过充、过放电等人为因素影响。

总结:

在新能源汽车电池发展中,目前更加注重 高能量密度电池研发,但是提升电池能量密度主要受 到安全问题的限制,频繁发生的电池安全问题也进一 步提高了人们对于安全问题的重视。以上针对新能源 电池热失控相关数据实施了分析,并提出了相应的热 失控预防策略,以能够为新能源汽车电池安全应用提 供相关建议。

posted @ 2023-10-25 11:10  jingsupo  阅读(66)  评论(0编辑  收藏  举报

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