【关键字】: 智能电池系统 智能电池 设计 电池设计 电池系统安全 车用智能电池 【摘要】: 国内外新能源汽车烧毁事件不断,造成业界的困扰、投资者的迟疑及社会大众的惶恐。本文通过硅谷车用智能电池系统设计者的眼光,剖析电池系统安全性短板的主因,进而对新一代高安全性车用智能电池系统之设计提供新的理念与见解。 近年来,国内外新能源汽车烧毁事件不断。三年前,美国丰田普锐斯混合动力汽车经第三方改装后在行驶时烧毁,尽管车辆采用了非常安全的A123锂铁电芯。2011年,在杭州、上海及深圳都有新能源出租车及大巴烧毁事件,也是采用了非常安全的国产锂铁电芯。显然,采用锂电池家族中最安全的锂铁电芯并无法避免安全事故的发生。 为什么安全的电池系统与电芯无关? 在解开这个迷惑之前,须要先检查普锐斯混合动力车事故分析照片(图1)。照片显示连接至电芯的镍片已经完全熔断。镍片熔点是1560℃,而且需要相当的能量才能熔断,而能量的来源是还没有烧毁的电芯在短路的情况下,提供巨大电流,完成电弧的工作。
尽管普锐斯混合动力车用的是非常安全的A123锂铁电芯,但是在多数电芯短路情况下,再安全的电芯都无法避免电弧的发生。失效分析的重点应该放在电池系统的设计而不在电芯化学成份的组合。 当我们引爆不同锂离子电芯时,能量释放是与电芯化学成份有相当密切的关系。试验表明,锂钴能量释放远大于三元及锂锰,而锂锰能量释放又远大于锂铁。在车辆撞击事故中,电芯引爆是极有可能发生的。一系列实验告诉我们,再危险的电芯,经由严格的电池系统设计,是可以避免电池系统起火,进而保障整车安全性能,保护乘客安全的。 安全电池系统的重要元素 电池系统的安全有几个必备的重要元素,缺一不可。国内外新能源汽车烧毁事件都有缺乏这些必备元素的通病。
一、电池单体过温隔离装置
电池单体过温隔离装置(图2)可以在电芯内部短路或电池包外力撞击时迅速隔离过热电芯,停止电池包对过热电芯大电流充电,完全杜绝连锁反应,确保系统安全。电池单体过温隔离装置的重要性与汽车安全气囊相当。但不幸的是,在我国有这种装置的电池包非常少。
二、牢固的高电流通路
大到连接器,小到螺丝钉,任何高电流通路的松脱都会造成电阻值过高,都有可能导致高能量的产生,甚至于达到1560℃的高温。一般电池系统高电流通路有数十个至数百个接口,通路牢固失效率要求非常高。
三、牢固的机构设计
电池系统机构设计必须通过严苛的车辆环境实验。至少有一个国内新能源汽车烧毁事件,是因为机构设计或组装不良造成的。车辆行驶一定里程之后,结构件磨擦并割破电芯软包,造成电解液泄漏,再经火花点燃后迅速漫延至车体,从而导致火灾一发而不可收拾。 四、有效的温度控制系统 电池系统需要有温度控制系统将电芯温度控制于一定范围内,以保障电池系统寿命。最低限度是要控制电芯温度低于安全范围。可是,一般设计往往忽略了下列重点:(1)通常电芯外壳温度与实际内部温度有相当程度的落差;(2)强制风冷可能会造成电池系统内部温度差异化;(3)通常温度侦测点无法掌控系统内最高与最低电芯温度。 正规的温度控制设计必须经历模块计算、实验、试制、开模等步骤,利用复杂的流道设计,达成最佳的均温效果。 车辆撞击事故中,电芯引爆是有可能发生的。这时候温度控制系统必须实时将其降温,避免邻近电芯受到感染,产生连环爆炸效应。低效的温度控制设计,存在先天的、可能使已有电芯处于温度过高区域的隐患,自然无法避免车辆撞击后发生连环爆炸的可能。 预防性自动回报系统 它是利用无线通讯技术检测与回报功能,将车辆位置、行驶速度以及电池系统等重要信息,实时上传至云端网络。当电池控制系统侦测到电芯连接松散、电芯衰竭、冷却系统不良等故障,或者车辆发生撞击事故时,预防性自动回报系统能迅速通知监控中心,这是主动安全防卫系统重要的环节。 主动式安全防卫系统 一般人认为电芯监测板就是电池控制系统,认为监测电芯电压、电流及温度并于异常现象发生时经由CANbus界面发警讯给整车控制系统即可。但是国内外新能源汽车烧毁事件不断证实这一概念是错误的。 主动式安全防卫系统能够保证系统安全。即使电芯失效或严重撞击,即使整车控制系统已经失效,甚至于电芯监测板也已经失效。要实现系统设计上全方位的保护,软件设计上,要达成待故障解决后自动重置;硬件设计上,要达成多方位的硬件融合以防极少遇到的软件失效;机构设计上,要达成抗震、防共震设计,以确保电池连接不会因松脱而产生高温,进而杜绝燃烧与爆炸之风险。同时,要有与意外撞击相配套的安全措施,以提升系统安全性进而保障救护人员之安全。
细节决定一切 有一部英航的飞机,于1990年载客81名外加6名服务员,在起飞达到17300英尺时驾驶舱挡风玻璃脱落。事后分析是6个螺丝钉比规格小0.025mm。需我们要深思的是,一个没有锁紧的螺丝钉在电池系统里面会不会酿成烧车事件?这完全是有可能的。因为丰田被改装的车辆,就是因为一颗螺丝钉没锁紧,造成电池温度上升而导致使整车烧毁的。因此,我们建议所有电池系统都须经过系统撞击及引爆实验,效仿整车撞击测试,以保证乘客安全。 捷源绿能科技曾经做过这样的试验:在磷酸铁锂的电池包里面抽取一个电芯,并置放回非常不安全的锂钴电芯,同时做过热、过充实验直至将其引爆。引爆的电芯内部温度超过500℃,排气温度超过1000℃,但临近的磷酸铁锂的电芯温度没有超过100℃。我们对这些临近单体电芯做充放电测试,结果完全符合规格(图3)。
以下为新一代高安全性车用智能电池系统之设计要点:(1)彻底了解电池系统的危险性。电芯特性 (过充、过放、微短路、漏液等状况);电池系统零部件信赖度;使用环境 (过热、过冷、振动、撞击等。(2)以航空等级设计理念,提升新能源汽车安全性。所有危险性都有安全防护措施;重要关键部位须有多重防护措施;单一防护措施失效不会产生连锁反应导致安全事件。(3)从设计制造到运作维修,不容许有安全漏洞。设计上尽可能避免错误的发生;零部件合格确保安全;自动回报系统;运作维修需要培训认证。
结 论
确保新能源汽车的安全性,就要彻底了解电池系统危险性,从电芯特性、电池部件,以及使用环境都要有精细的配套措施。要以航空等级的设计理念提升新能源汽车的安全性,所有关键部位都要安全保护,单一防护措施的失效不会造成安全事件。
来源:www.bushome.net 作者:庄嘉明 |