电池模组安全分析与设计课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2018/11/20,#,动力电池模组安全分析与设计,张雄,2018.11.24,动力电池模组安全分析与设计张雄 2018.11.24,1,01,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,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,2,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乘员安全最终是目的和出发点，也是最高标准,3,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,LMO,2,、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,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1、常见动力电池材料体,4,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,LiPF,6,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：化学体系重要组分常见材料材料实,5,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：化学体系热失控发生时，各种材料,6,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本质安全性：化学体系材料可燃属性：组成锂离,7,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18650电芯安全特性分析：锂离子1,8,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钢（铝）壳电芯安全特性分析：正极，负,9,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塑壳电芯安全特性分析：电解液：属于有,10,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锂离子液态软包电芯安全特性分析：,11,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？,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,12,01,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,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,13,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模组安全设计原则：1、良好的设计，确保不要,14,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；,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电解液为有机体，易燃物；从电芯层考虑安全性,15,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。,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,16,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：,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,17,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热管理系统设计：模组下边冷却模组侧边冷却电,18,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阻止热扩散设计：1、优化电芯设计,19,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1.模组的高压连接外短路短路设计：,20,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,。,（,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,：,动力电池安全性设计2.模组的采样线短路短路设计：,