动力电池的十大安全问题解决思路

2020-10-17 13:44 ryder

一)电芯安全的解决思路
 
电芯、电池模块标准化
 
通过标准化可以改善几个方面:
 
1)设计方面,把电芯的设计问题集中暴露,集中处理;
 
2)生产设备方面,设备的标准化程度也会相应高一些,设备企业产品迭代会更快;
 
3)持续改进和经验推广,通过标准化,可以把优秀的设备配套商和零配件配套商的经验向行业推广,这样整体提高了电池行业的安全技术水平。
 
 
电芯的标准化
 
电芯的标准化可以降低低层次劳动的重复。电芯标准化本身对电芯的安全性能有很大的提升,更多厂商做同一个标准的电芯,电芯成本会下降,安全性会提高。从紧迫性和可实现性来看,是比较紧迫也比较容易实现的。
 
 
二)成组安全的解决思路
 
热管理设计对电池安全非常重要
 
成组安全方面,热管理设计的好,热量均衡,BMS虽然很小的电流均衡,但是可以把不同电池之前的温度差导致的电压差均衡起来,因为电池就是电化学里能斯特方程的温度,正极是正相关,负极是负相关,电压差是正极减负极的话是更大的,所以温度对它的电压影响是很大的。
 
当然焊接工艺也是很重要的一个方面,焊接工艺不一样会导致内阻的不均衡上升,所以从这几个维度来提高它的成组安全。
 
PACK的电管理、热管理
 
安全性问题最终要归结为电池模块,运用系统论的方法来考虑电芯和PACK的安全问题,BMS要对每个电芯做精确的检测、管控和预警。
 
同时也不能因为只考虑电池的安全问题,而忽略了它的寿命,我们既要保证电池的安全性,也要尽可能的提升电池的寿命。如果没有好的寿命,就失去了利用锂电池的理由。
 
 
三)电池管理的解决思路
 
BMS安全策略
 
将电池系统分级并制定相应的安全目标,根据目标制定测量、识别、处理的安全策略并进行验证。如果行业集中精力做这方面的工作,能够在短期内提高电池安全水平。
 
 
BMS对电芯检测、管控、预警
 
我们应该从根本上认为锂电池本身是不安全的,对它进行有罪推论,它本身是不安全的能源装置,需要在BMS管控的基础上,外加热失控、及时灭火机制和装置,如一发现火情,马上启动灭火装置灭火。
 
 
四)设计安全的解决思路
 
体系设计科学、合理,生产过程控制
 
各种电池材料、电池结构均有优缺点,只是对安全性影响的程度不同而已,只要设计科学、制造精密,在一定程度上都可以制造出安全性可以接受的动力电池
 
 
五)充电安全的解决思路
 
充电设备上增加电池快速体检功能
 
车辆充电完成80%-90%时做大电流检测,通过直流内存的变化找出电池组中不一致的地方,达到电池快速体检的目的。
 
PACK在出厂前,都会做一个大电流的脉冲充电和放电,在充电的末端做一个大电流的脉冲充电,在放电的末端做一个大电流的脉冲放电,通过这个方法,把电池组合中不一致的地方找出来,可能是电芯的问题、可能连接有问题、也可能是数据线有问题,这些大电流脉冲会明显的显示出一些异常。
 
把这种方法应用到用户端,因为用户端除了充电桩外没有什么可检测的手段。
 
 
充电初期对电池进行电流脉冲检测
 
对于不同电池的SOE、SOH充电的电流,在充电初期对它进行电流的脉冲检测,发现不一致性,提前发出安全警报。因为在充电初期,电池PACK是常温的,充电末端的时候电池PACK的温度可能已经上升了10°或者15°,导致电池的电压不均衡,所以在均衡的时候检测它的不一致性可能误差更小。
 
另外,对BMS进行实时诊断、检测,对车、充电桩、电网这三方进行协调,充分保障充电安全。
 
 
六)使用安全的解决思路
 
在单体热失控状态下如何保证人员安全
 
1)延缓热失控方面,有一些成熟的设计方法:
 
采用防火材料,在防火结构上做防火隔热处理,如特斯拉的设计里可以看到,确实在一定程度上能够延缓热失控的过程,延缓单体热失控到整组热失控的过程。
 
 
2)增加人员逃生时间方面,主动做些检测:
 
烟雾的检测、化学成分的检测、热的检测等,通过检测发现早期单体热失控,并给驾驶员和乘客发出警报,提醒人员逃生。
 
 
3)做限制处理:
 
不能让驾驶员按照常规的功率去使用,通过限功率的模式,让车子有一定的动力,但动力很弱,可以靠边停车做处理。
 
 
4)增加灭火设备:
 
目前电动客车国标正在推动增加灭火装置,增加灭火装置可能有好处也有坏处,因为现在电池箱的设计都会增加防爆阀,如果喷射大量气体或者气凝胶出来,它会导致内部压力增大,可能把防爆阀冲破,会带来另外一个问题。
 
如果误检测单体热失控,把这些东西喷出来,可能会导致整组电池的报废,如果喷出来的气体、液体或半凝胶物质对电池无危害会是比较好选择,希望有这种材料能够达到这种效果。
 
 
5)整车设计:
 
在整车设计方面要增加安全逃生装置,电动车和传统车不一样,电池作为电动车的唯一动力来源,在热失控的情况下如果通过切断动力的方式停电,车门有可能会打不开,所以在整车设计上如果能增加可以快速、方便打开的逃生门或者其他的逃生装置也是个可行的选择。
 
 
七)安全预警的解决思路
 
BMS监控,VCU响应,大数据分析
 
汽车的VCU对出现的问题做响应。车在出现安全问题时,可以让司机靠边停车,或者是做一些相应的动作,并把VCU收集到的BMS信息上传到云端进行大数据分析,VCU有个智能学习的过程,提高安全预警的可靠性。
 
 
八)日常维护的解决思路
 
制定日常维护的流程及国家的相关法律规定是非常紧急和必要的
 
现在车辆很多问题都出在没有日常维护的标准或没有国家强制检测的标准。传统车都有强制检测,电动车作为新生事物,相关的安全性、可靠性还没有达到传统车的级别,究竟每隔3个月,6个月,还是1年进行检测,应该检测哪些项目(系统密封性、电器可靠性、连接可靠性等都需要检测),这都缺少相关的标准。
 
现在整车厂更多的卖点是电动车不用维护,但实际上这完全与安全的意识背道而驰,因此,国家应该制定强制检测的标准,整车厂也应该有强制检测的项目要求。
 
从可行性上来讲,国家或行业制定相关的标准,整车厂制定检测、维护的项目或手册,执行起来比较容易。
 
 
九)安全保护的解决思路
 
过充、过热、连接安全问题
 
 
1)过充问题的解决
 
通过BMS、充电机、VCU保护,最简单的是通过BMS来保护,如果BMS不起作用还可以通过充电机来保护,还可以通过整车VCU来介入。关于过充的问题,从技术上来解决的话是比较容易解决的,而且效果也比较明显。
 
 
2)过热问题的解决
 
在充电过程中,由于电芯本体的过热或者连接阻抗过大导致的过热也会引起热失控。关于过热的问题主要从两个方面来解决,一是减小电芯的密度、减小连接阻抗,这从本质上去降低风险;第二个是加强散热,我们希望在充电过程中能采取更有效的散热措施,比如说通过加强风冷或液冷的措施,可以降低充电过程中热失控的可能性,还有温度采样的问题,温度采样要准确,怎么样有效可靠地采样出温度点,这可能要跟我们的热仿真和实际测试结果做一下匹配。
 
 
3)连接故障的解决
 
前段时间在上海发生了一起事故,飞线连接充电起火,还有在地下车库充电起火的事故,其实都是跟充电连接的关系非常大。充电连接充电枪的插头,还有普通车载充电机的插头,如果长期使用,如果连接不可靠会过热起火。目前在充电国标里已经有要求了,在充电枪上会增加温度传感器,来采集充电过程中充电枪的温度。
 
还有充电枪和插头插座的寿命要经过严格的计算和验证,要能够满足整车的使用寿命要求。日常的检查和维护,能够判断出来插头插座的接触是不是已经降低到一个数字之下,如果已经降低到安全数值之下,那么肯定要更换,通过这几种方式解决充电连接问题。
 
 
十)安全级别划分的解决思路
 
产业链合作,整车厂和零配件企业建立专业化分工和协作体系
 
按照汽车行业的要求,从APQP、PPAP等环节按照汽车行业的要求实施,分工、职责明确,实现产品全寿命周期可监控、可追溯,从合作模式改变方面来提高动力电池的安全水平。

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