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一文看懂宁德时代、比亚迪等企业电池安全思路!

2020-06-23 02:12

一文看懂宁德时代、比亚迪等企业电池安全思路!

烧毁的特斯拉电池包

时至夏季,新能源汽车又进入起火高发期。一桩桩起火事件频繁出现在媒体上、微信群里。   必须承认,这些起火事故,很多都与动力电池安全问题相关。而动力电池安全问题不解决,新能源汽车就很难大规模普及。

6月18日,中国化学与物理电源行业协会主办了“2020年动力电池安全分析与技术发展网络会议”,邀请行业人士共同探讨动力电池安全技术,推动产业技术进步。   会议的参加者,包括近期因针刺测试而激烈辩论的比亚迪和宁德时代,还有一些在动力电池安全上颇有探索的企业。《电动汽车观察家》整理了宁德时代、比亚迪、华霆动力、宇量电池在提升电池安全方面的思路和举措,为行业人士提供参考。

1、宁德时代:四途径提升电池安全性  

宁德时代三元电池和磷酸铁锂双线并举。磷酸铁锂电池主要应用商用车和储能系统;乘用车方面则是三元和磷酸铁锂并举。

宁德时代采取这个策略,主要是综合考虑产品的具体用途和风险程度。  宁德时代高级工程师陈小波解释道,因为纯电动大巴因为带电量大,人员密集,短时间疏散难度大,因此采用磷酸铁锂路线较为稳妥。乘用车实际应用中带电量相对较小、载人少,人员疏散相对容易。而且产品成熟度更高,防护更好,因此可以采用三元电池路线。

陈小波认为,三元电池,一是可以满足用户对里程的需求;二是可以推动电池技术进步。“我们不能在磷酸铁锂技术路线上止步不前。”  

此次研讨会上,宁德时代着重强调了电池全生命周期的安全。

陈小波认为,动力电池安全是系统工程,对电池的安全防护应该是全生命周期的。电池从开发设计到生产制造,到售后服务再到回收再生,都存在安全风险,要想办法规避这些风险。 陈小波将提升电池安全归为四个路径。

一是产品设计层面,提高安全阈值。电池包从设计环节,就要做到防水、防火、防撞、防高压漏电,同时做到高可靠性。

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二是,注重制造过程的质量与安全管控。在电芯生产层面,宁德时代有超过2600个品质与安全控制因子。

三是,注重动力电池全生命周期的安全性。陈小波认为,电池全生命周期安全的防控重点各有特点:例如早期阶段,需要注意软硬件故障,以及工艺、生产层面的问题;中期阶段需要关注偶然性失效问题,例如电芯的膨胀、低压连接件的老化、低压线束老化等。

最后,加强售后维护、安全预警与产品的报废处理。陈小波建议,跟进年检制度,对电池包被磕碰、密封不良等情况进行维护。陈小波还认为,要善于利用大数据,基于后台大数据分析,对有安全预警的电池进行及时更换。此外,对超过服役期的电池,也要制定相关的报废处理办法。  

陈小波反复提到电池的可靠性问题,尤其振动后的防水问题,以及高压连接件的可靠性问题。他认为,这些都是在真实应用过程中经常会遇到的问题,值得重视。

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当然,陈小波认为动力电池发展也存在一些挑战。

一是轻量化与安全之间的平衡。电池安全需要高强度防碰撞设计,以及防火、耐热材料,同时满足又轻又安全,需要开发更新型的材料。

二是有毒、可燃性烟气与封闭空间的问题。电芯发生热失控,会产生大量毒害烟气。需要政策或规范明确,例如规定在一定时间内防止烟气进入乘客舱。针对烟气,需要开展气体轰燃和毒性研究,以及制定有针对性的消防、紧急处理、人员疏散等措施。

2、比亚迪:打造七维四层安全矩阵  

与宁德时代不同,比亚迪在思考安全问题时,采用的是对电池和失效模式进行拆解的方式。

比亚迪考虑安全问题时,将电池分为四个层次,单体电芯、模组、电池包、系统;失效模式分为七个维度,连接可靠、高压安全、机械安全、过充、外部过流、内部短路和危险气体。

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比亚迪弗迪电池安全技术部副经理林文生认为,大家一谈到电池安全时,经常说电池过充、内短路或者高压出问题,但这些都是零散的点。在思考电池安全时,要做到不漏过任何一个环节,需要对电池安全进行系统化思考。

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对于这些失效模式,比亚迪首先会分析这些失效模式能不能完全屏蔽掉;对于不能完全屏蔽掉的,必须要做到预警;即使完全失效,也要做到风险可控。

林文生介绍了比亚迪针对这些失效模式思考以及措施。  连接可靠性方面,失效形式主要是松动或者局部断裂,后果就是动力中断,或者局部发热、拉弧甚至起火。要避免这一问题就要考虑连接设计,例如用全自动焊接取代螺纹连接,保证连接的可靠性。

如果是不可能避免,下一步的设计就是监测预警,例如进行温度和电压监测。

高压安全方面,失效模式主要为漏电和高压击穿。对此,比亚迪从源头上进行优化设计,首先是高压分段,维修的时候,可以通过一个主动装置将高压降下来。防水层面,比亚迪采用IP67的防水等级,对进水导致的漏电问题进行屏蔽。

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另一个重要的是绝缘设计,要考虑例如爬电距离、电气间隙、单体外壳绝缘、铜排/动力线绝缘设计以及线束绝缘设计等。除此之外,还要考虑如果发生其他危险,对原有的绝缘设计造成次生的安全问题,也需要考虑。当然还需要预警和监测功能。

机械安全方面,比亚迪再细分分为结构安全设计和电/热安全设计。结构安全设计方面,比亚迪考虑整车对电池包的防护,对电池包进行防撞设计,采用高强度的铝合金托盘、蜂窝结构的加强边框,考虑单体耐变形能力。

电/热安全设计方面。比亚迪考虑,当电池被机械挤压后,也会造成出很多次生问题,例如,挤压后电芯发生短路怎么办?有没有一个断开装置?能不能自动熔断?有没有防爆阀相关设计?这些都是在设计之初需要考虑周全的。

模块方面还要考虑隔热和绝缘设计。电池包层面则是传感器方面的设计,例如传感器断电,能不能触发触发起断开高压?以及隔火隔热的设计。

还要考虑过充问题。林文生认为,电池过充的风险已经相对较小,因为有电池管理系统分级保护。“单电芯过充从设计上没有办法屏蔽,主要看其过充的阈值在哪里,这是由电池材料决定的。”   外部过流方面,主要依靠匹配设计来规避。例如每个负载单独配置保险丝,高压负载与保险丝匹配等等。

内部短路方面,包含的范围比较广。比亚迪这里主要指析锂和异物两类,他们认为从设计上很难屏蔽,只能对生产环境进行控制。因为难以避免,风险防控更要做到位,需要进行风险划分,最终达到可控的目的。

最后是危险气体。林文生表示,电池包里危险气体的来源非常多,例如电解液,其本身就是可燃的,分解后产生的一氧化碳和甲烷乙烷都是可以燃烧的。主要措施就是防爆阀与CID(电流切断装置)匹配、安装气体探测装置、气体泄放装置、低压下属方拉弧设计以及线束耐高温设计等。

3、华霆动力:针对电芯失效模式进行防控

作为一家电池系统集成商,对电芯品质无可着手,华霆动力更为关注的是电芯失效之后的防控。华霆动力此次探讨的是圆柱电芯在非滥用情况下的热失控控制问题。  

他们的思路是将电芯的失效模式都找出来,并针对每一个失效模式进行防护。用华霆动力技术有限公司董事长周鹏的话说,“如果每个失效模式都是一道伤疤的话,我们就找到一个膏药将其盖住,就是做一些包覆。”

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华霆动力的“蜂窝电池”模组

具体来说,就是将电芯的失效模式进行量化,电芯在热失控的情况下产生多少焓(编者:可初略理解为总热能)。通过仿真方式,计算出模组内部温度场、流场分布,并根据这些分布特点进行防护。   电池系统层面,则需要做到精准监测。事故发生后,热管理系统可以做一些动作来降低热失控传播的概率。

此外,华霆动力还考虑车辆静置的问题。车辆下电后,电池管理系统还应具备热失控主动监测功能。“需要电池管理系统和监控系统实时交互,而且电流不能太大,否则车内12V铅酸电池很难支撑。”

周鹏认为,通过这一整套系统,可以有效的保证整个系统热失控或者是热蔓延的概率大幅降低。

4、宇量电池:用好热失控后的烟气  

苏州宇量电池有限公司董事长毛焕宇也参加了会议。他主要探讨,电芯热失控之后到明火烧起来能否有5分钟,或更长时间来逃生。  在毛焕宇看来,电芯发生热失控之后产生烟气值得重视。目前电池热失控产生的烟气都是可燃的,只要有静电或者火花,就会发生火灾。  

“一般单颗18650电芯发生热失控,如果电芯内容物冲出受阻就会产生边裂,将导致更多电芯热失控产生大量烟气。”

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但是如果烟气不可燃的话,其存在也有好处。  毛焕宇解释道,烟气可以带走90%以上的热量,大大降低热失控电芯本身的温度,阻止热失控也较为容易。电芯热失控之后,大约40%的总质量已经喷射到烟气里面去了,带走了反应物、产物以及热量。“喷出物是所有的电解液、隔膜、粘结剂、部分石墨和铝箔,只有一部分正极材料、铜箔及壳体留下来了。”

毛焕宇认为,不可燃的烟气相对于火焰更容易逃生,而且临近的物体、车辆、建筑物都不会被引燃。

宇量电池为此研发了一种化合物,具有隔热、吸热和灭火三大特点。该化合物可以有效改变气体成分,将可燃的烟气变为不可燃,这样就能给成员更多的逃生时间。

毛焕宇也透露,这种化合物的成本非常低,也极易获取。

可以看到,宁德时代强调电池全生命周期的防护和监控,针对各个时期可能出现的问题进行防护;比亚迪则是分层次对电池热失控的原因归类进行分析防护;华霆动力则是将电芯的失效模式进行分析,针对每种模式在系统层面“打补丁”进行防控;宇量电池则着重探讨电芯热失控后如何最大程度减少伤害,为乘员赢得逃跑的黄金“5分钟”。

不同企业在提升电池安全方面各有特色,而且听上去效果都很好。这些安全技术、策略,能否真正落实呢?

从中国新能源汽车过去十年的表现看,既存在“无知”的问题——对动力电池及电动汽车的安全研究不够,防范方法缺失;又存在“知而不行”的问题,有的存侥幸心理,有的是从成本考虑,生产品控标准不严,安全防护“减配”。所以,中国才有这么多起火事件。  

现在来看,中国动力电池产业界似乎解决了“无知”的问题,那现在我们期待的,就是大家的行动了。

 

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关键字:电池安全
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