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如何应对电池可能存在的安全风险

文章出处:高格官网责任编辑:高格小编作者:13712085056人气:发表时间:2021-11-26 13:34:04 【

如何应对电池可能存在的安全风险
应对电池可能存在的安全风险,可以从四个层级、七个维度来考虑电池的安全,四个层级指电芯、模组、电池包、整车,七个维度包括可靠连接、高压防护、机械挤压、过充、布置形式、短路和热失控,在每个维度跟层级都有对应的防护措施,全方位有效的保护电池安全。
新能源汽车发生冒烟起火的场景一般为车辆静置时充放电和车辆行驶中发生碰撞,下面我们基于锂离子动力电池在机械挤压这个维度来讲解下目前开展的一般研究方法,探究整车碰撞中电池包的受力形态与损伤(失效、起火、爆炸)机理。
从卷芯到单体到模组再到电池包共4个层级,每个层级的研究又分为试验和仿真两个方面,通过不同加载方向、不同加载速度的试验来研究卷芯、单体和模组的各向异性和应变率效应,以及加载方向和加载速度的不同给动力电池变形行为和失效行为带来的影响,全面认识动力电池在不同载荷工况下的响应规律和内在失效机理;借助对试验结果的认知,开发能够表征其应变率效应、各向异性和失效行为的卷芯模型,并以卷芯模型为基础,逐级向上开发兼顾仿真精度和计算效率的电池单体模型和模组模型,以试验结果为参考对各仿真模型的仿真精度进行验证,为电动汽车电池包碰撞安全保护的开发提供虚拟仿真工具。
1)卷芯层级研究
卷芯是组成单体进而构成模组的基础,也是电池包里面非常基本的电化学单元,了解卷芯的力学性能,及其力学失效和电化学失效之间的联系,有助于深入认识电池包在碰撞挤压载荷下的响应规律和失效机理。锂离子电池的正极材料通常以铝质集流体为基底,涂布钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)和磷酸铁锂(LiFePO4)等锂离子活性物质。负极材料通常以铜质集流体为基底,涂布石墨或硅层。而隔膜则常为由聚乙烯或聚丙烯等材料制成的多孔薄膜。通过对卷芯中的正极复合体、铝箔、隔膜、负极复合体、铜箔等进行拉伸、压缩、穿孔试验,得到相应材料的材料卡片,为卷芯的精细化建模搭好基础。
卷芯组分研究流程图 研究总体框架
 
2)单体层级研究
电池单体是向下集成卷芯、向上构成模组的结构,每一个单体都是一个可以独立工作的电化学集合体。目前车用锂离子动力电池单体,通常采用卷绕或叠片式卷芯(交替布置的正负电极和电极间的隔膜)和液态电解质,用金属外壳封装成圆柱形(a)或方形硬壳电池(b),或用镀金属塑料膜封装为软包电池(c)单体层级研究。
 (a) 圆柱形硬壳电池单体    (b) 方形硬壳电池单体 (c) 软包电池单体
 
为了全面了解电池单体在碰撞挤压载荷下的响应规律和失效机理,研究同样对单体进行了不同加载方向和不同加载速度的挤压试验。
(a)Z向圆柱挤压  (b) Y向圆柱挤压   (c) X向圆柱挤压 (d) Z向球头挤压   (e) Z向锥面挤压
 
通过实验,可以得到对应的力-位移-电压曲线,结合对样件电镜扫描结果,来研究响应规律和失效机理,和建立了单体的有限元模型。
 某工况下单体力-位移-电压曲线
对于电池单体,我们通过多种方向和多种不同的加载速度的组合试验对其力电响应进行了测试,可以发现,单体也有着明显的各向异性和应变率效应。其次,单体的短路行为也具有明显的各向异性,相比于Y向和X向,Z向是单体很容易发生短路失效的挤压方向。借助对试验结果的认知,开发能够表征其应变率效应、各向异性和失效行为且兼顾仿真精度和计算效率的单体模型。
单体有限元模型 
3)模组层级研究
模组是将一个以上电池单体按照串联、并联或串并联方式组合,并作为电源使用的组合体。其研究方法与单体基本一致,但由于其结构比单体更加复杂多元,研究中需要考虑多种失效形式,包括单体之间的粘胶,壳体撕裂,端板断裂的现象。
模组测试系统
模组试验形式及样件变形情况
 
通过研究发现,相比单体内短路(卷芯断裂)压降失效而言,模组试验中更多的是由于结构失稳或外部侵入而发生的外短路;由于蓝膜、胶层和铝合金在冲击下韧性明显下降,更易发生失效破坏,而这些失效形式是导致模组发生外短路的关键因素,进而使得模组压降对应的力和位移的响应在准静态和存在较大差异。
某工况下单体力-位移-电压曲线
通过模组多工况试验标定,建立模组有限元模型。
模组有限元模型
 
4)电池包层级研究
通过对锂离子从卷芯到单体到模组的研究,对电池本身具备充分的了解,包括电池在冲击下的变形和失效规律,内部损伤发生的历程和机理,在发生严重损伤前所能承受的载荷、变形、能量等的最大限度,以及损伤发生过程中机电热的相互耦合和作用关系等。基于仿真模型,便可以开展多工况下电池包层级的研究与对标工作。
电池包系统多工况研究
在新能源汽车安全开发过程中,电池包作为更加复杂的系统,不同的试验工况下,会有多种不同的失效形式,其产生的原因和所造成的危害也不尽相同。
常见的动力电池失效形式
 

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