普瑞賽思朱靜：動(dòng)力電池振動(dòng)和熱失控擴展測評方案及改善措施
深圳普瑞賽思檢測技術(shù)有限公司副總經(jīng)理朱靜作主題演講
11月17日，“2017’第二屆動(dòng)力電池應用國際峰會(huì )暨第三屆中國電池行業(yè)智能制造研討會(huì )”在北京精彩召開(kāi)。本屆峰會(huì )由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )和電池中國網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )動(dòng)力電池應用分會(huì )承辦，無(wú)錫先導智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會(huì )人數超600人。
在動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng )新分論壇上，深圳普瑞賽思檢測技術(shù)有限公司副總經(jīng)理朱靜作主題演講，同與會(huì )嘉賓分享了該公司在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池測試評價(jià)整體方案領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗。
以下為朱靜演講內容：
各位專(zhuān)家，各位同事大家上午好！非常感謝支持人的介紹。其實(shí)今天我非常高興有這個(gè)機會(huì )在這里跟大家共同分享一下電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池安全和可靠性的評價(jià)，今天由于時(shí)間關(guān)系，我這個(gè)報告里面重點(diǎn)就集中在振動(dòng)和熱失控擴展這兩項測試來(lái)進(jìn)行展開(kāi)。也看到這兩項的測試是在我們實(shí)際整個(gè)電池設計過(guò)程當中是非常關(guān)鍵的，我這邊更多的工作是集中在如果針對這些標準的驗證過(guò)程中，我們出現一些失效，我們應該從哪些方面進(jìn)行一些改善。
今天我的報告分為以下三個(gè)部分，第一部分跟大家簡(jiǎn)單介紹一下我們動(dòng)力電池系統潛在的失效如何去進(jìn)行一些識別和標準當中對測試項目的一些介紹。在第二部分會(huì )跟大家介紹一下安全和可靠性的評價(jià)，更多的是我們一些研發(fā)的測試，就是針對我們這些測試項目當中增加哪些監控的參數，可以看到我們電池一些潛在的失效。我們針對這些潛在的失效，如何對動(dòng)力電池系統進(jìn)行一些結構的改善，以及我們熱安全的改善。最后一部分是一個(gè)簡(jiǎn)單的結論。
首先我先花一分鐘的時(shí)間簡(jiǎn)單介紹一下普瑞賽思，普瑞賽思是一家獨立的第三方檢測機構，我們專(zhuān)注于動(dòng)力電池和消費類(lèi)電池的一些測試。在2015年我們是有擴建了動(dòng)力電池的實(shí)驗室，目前這個(gè)實(shí)驗室投入使用，目前是一萬(wàn)五千平方米。測試能力覆蓋動(dòng)力電池電芯、模組、電池系統、性能、環(huán)境、可靠性、安全測試，這是我們實(shí)驗室的一些測試設備。這是我們合作的客戶(hù)以及我們做過(guò)的一些典型的案例，實(shí)驗室目前開(kāi)展比較多的研究包括熱失控擴展的研究，火燒的實(shí)驗，以及電池的模組和電池系統的火災控制。
我們看一下整個(gè)動(dòng)力電池系統，大家都非常清楚，可能有很多同事有看過(guò)這張PPT。這個(gè)是非常復雜的系統，我們在評測我們整個(gè)動(dòng)力電池系統的時(shí)候，其實(shí)是從它的基礎單元，我們的電芯、模組以及所有的輔助部件，包括其他的零部件，像塑料部件以及冷卻系統，對動(dòng)力電池進(jìn)行一個(gè)結構的設計和我們的安全設計。針對我們剛才看到的電池復雜的系統，我們來(lái)看一下常見(jiàn)的失效會(huì )發(fā)生在哪里。我們在做電池結構設計的時(shí)候應該關(guān)注哪些潛在的失效，首先從它最基礎的單元來(lái)看，電芯級別，最常出現的，電芯出現漏液，泄氣，最嚴重的發(fā)生起火、爆炸的情況。針對電芯，也有很多車(chē)企做了很多實(shí)驗，單體電芯出現安全閥開(kāi)啟的時(shí)候，到底產(chǎn)生哪些氣體，它的氣體流量怎么樣，壓力怎么樣，這些都是對應我們整個(gè)Pack系統結構設計的時(shí)候，對應整個(gè)Pack的泄氣閥的設計。還有BMS它的通訊是否正常，BMS大家都有，都認為BMS很好。我們在實(shí)驗室工作過(guò)程當中，包括一些性能測試的過(guò)程當中都有出現BMS通訊的中斷，還有像BMS功能的失效，比如我周邊有很多大功率工作的設備，電磁的干擾會(huì )導致我BMS通訊的失效，這些都會(huì )影響整個(gè)BMS的安全管理，以及對電池的管理。
現在實(shí)驗室做長(cháng)期壽命循環(huán)的時(shí)候有出現BMS丟針的情況，沒(méi)有反饋給充放電設備，充放電設備還會(huì )繼續工作，就會(huì )導致電池出現一些安全風(fēng)險。還有一些出現比較多的就是絕緣是不是有做好，這是要常關(guān)注的一些測試項目。接下來(lái)看一下機械性的，比如電池殼出現的一些機械風(fēng)險，沙塵、風(fēng)塵會(huì )不會(huì )影響到整個(gè)電池系統的安全性。另外一個(gè)，大家比較關(guān)注的還有一點(diǎn)就是這個(gè)冷卻系統的密閉性，冷卻液泄露，對電池有很大的風(fēng)險。我們在實(shí)驗室里也做了非常多這方面的研究工作，考察了不同的冷卻液，它在電池系統里面出現泄露的時(shí)候，會(huì )對電池系統出現哪些風(fēng)險和影響。另外由于振動(dòng)，機械沖擊的過(guò)程當中，電池會(huì )出現一些傳感器的脫落，還有連接的松動(dòng)，導致BMS對電壓監測的失效，以及對電池保護的失效，這些都是在實(shí)驗室經(jīng)常會(huì )發(fā)生的一些失效的點(diǎn)。
我們接下來(lái)看一下我們電池的可靠性評價(jià)，跟我們動(dòng)力電池比較相關(guān)的，不管我們現在有多少個(gè)標準，現在我們看一下，大部分的標準，我們按照不同的區域來(lái)進(jìn)行劃分。一個(gè)是我們中國大陸國標的體系，這里面有些，今天重點(diǎn)是集中在可靠性和安全的，所以我把31467.1、.2關(guān)于性能的部分就刪掉了。另外是歐洲的標準和法規，國標主要就是GB-T 31467.3，ISO12405-1、2、3，SAE2929、2464，以及UL2580的標準，我們看一下我們重點(diǎn)關(guān)注的一些可靠性和安全的測試項目?？煽啃岳锩娴恼駝?dòng)和機械沖擊，這兩項測試是幾乎在所有的標準里面都有被涉及到。只是說(shuō)這些標準里面對于振動(dòng)的測試條件略有不同而已。經(jīng)過(guò)差不多一年多的測試實(shí)際的情況，振動(dòng)測試過(guò)程當中也是我們樣品失敗比較多。在我們實(shí)驗室里面也接觸到了非常多的振動(dòng)測試，經(jīng)過(guò)這種研發(fā)的驗證，發(fā)現它一些潛在的失效。另外一個(gè)就是機械沖擊，機械沖擊也是在測試過(guò)程中表現出問(wèn)題比較多的一個(gè)測試項目。像其他這些翻轉，溫度沖擊，溫熱循環(huán)在這里不詳細闡述。
我們再看一下安全測試，對過(guò)溫測試、短路測試，這些也是在各個(gè)標準當中都有涉及到，它出現的頻率是非常高的。因此，大家去看一下，我們在做這個(gè)電池研發(fā)測試的時(shí)候，應該重點(diǎn)關(guān)注哪些測試項目，如何去設計你的測試評價(jià)路線(xiàn)，更有效的得到一些可靠的信息，去為下一步的整改電池結構提供一些基礎的數據。
還有看一下擠壓、熱失控擴展和火燒的測試，以前還被翻譯成熱失控蔓延，后來(lái)歐陽(yáng)明高教授提出擴展它是一個(gè)主動(dòng)的過(guò)程。我們通常做振動(dòng)的時(shí)候，通常步驟是這樣，首先對電池系統做一些基本功能的檢查。這里面包括絕緣、耐壓以及密閉性，測試它是不是有漏氣漏液的檢查，然后再掃頻，發(fā)現關(guān)鍵零部件的固有頻率，不管大家是做Z軸、Y軸的振動(dòng)，在振動(dòng)測試結束之后，再做一次掃頻，通過(guò)固有頻率的變化，我們看電池的結構是不是出現一些坍塌或者結構破裂的情況，還能關(guān)注到你的電池系統在實(shí)際測試過(guò)程中是不是在固有的頻率下發(fā)生共振的情況。如果出現了共振，這個(gè)機械結構是很容易被破壞掉的。在所有的掃頻結束之后，還會(huì )做一次檢查，對水冷系統是一個(gè)很大的考驗。
我們通常做的順序也是從零部件部分，然后評價(jià)到模組部分，我們在模組評價(jià)驗證之后，模組的機械結構基本沒(méi)有問(wèn)題以后，通常會(huì )去做模擬樣件，來(lái)進(jìn)行相應的機械結構的驗證之后，才會(huì )采用真的樣品進(jìn)行振動(dòng)加溫度循環(huán)，同時(shí)加一些充放電，這樣的過(guò)程利于發(fā)現你的結構損失，第二有利于保護我們的實(shí)驗室實(shí)驗人員的安全。
這是我們實(shí)際做的掃頻，左邊這個(gè)圖，它僅有很小的頻率，偏差只有一點(diǎn)七幾的赫茲，通常小于五赫茲，我們認為這個(gè)機械結構沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。右邊看到這些頻率點(diǎn)發(fā)生的變化，右邊這組圖是實(shí)際振動(dòng)過(guò)程中這個(gè)樣品被我們強制停掉了，因為它出現了一些異常，當我們打開(kāi)電池包，它的機械結構已經(jīng)坍塌了，當時(shí)是一個(gè)軟包裝的電池，出現了短路的情況，幸好這個(gè)電池沒(méi)有出現起火，但是模組已經(jīng)有燒毀的情況了。
振動(dòng)前后應該關(guān)注哪些項目？你去檢查哪些項目？振動(dòng)前后，如果有機會(huì )拆開(kāi)這個(gè)電池，進(jìn)行開(kāi)箱檢查的時(shí)候，我們會(huì )關(guān)注你的電芯是不是有出現損壞，還有關(guān)注我的機械結構件，包括螺絲，看電池內部的模組之間的連接是不是有出現松脫，這些測試建議大家在電池不同位置，如果是做研發(fā)階段的，在電池不同的位置來(lái)布置一些傳感器，通過(guò)這些傳感器的變化，你可以看到電池結構的一些變化，避免我們在測試過(guò)程中一定等到測試結束那一刻才去開(kāi)箱過(guò)程。另外常出現的，觸點(diǎn)的松脫，這個(gè)都是在振動(dòng)過(guò)程當中我們看到的一些實(shí)際情況，建議大家在你做振動(dòng)測試或者機械沖擊的測試形成的一個(gè)流程。
接下來(lái)跟大家探討一下熱失控的擴展，涉及到熱失控擴展的幾個(gè)標準，SAE2464，還有UL2580、IEC62619，還有新版推出的國標，熱失控擴展是怎么樣一個(gè)實(shí)施方式。這是涉及到的一些標準，我們分別看了這些標準當中一些差異。這些標準當中對熱失控擴展的方法基本上大同小異，只是說(shuō)有些標準里面規定，基本所用的辦法就是針刺，過(guò)充和加熱，有些標準可以說(shuō)這三種方式的結合，比如用加熱的針去進(jìn)行針刺，去觸發(fā)目標電芯的熱失控。
我們針對不同結構，比如圓柱電池，還有像軟包電池和方形電池它的不同觸發(fā)方法，比如這個(gè)圓柱電池，一種方式是采用加熱片的方式，觸發(fā)這個(gè)電芯熱失控。還有針刺的方式，對18650電池，很難采用過(guò)充的方式去實(shí)施，因為它上面CAD的保護。另外我們看一下像這個(gè)電池，這是采用鎳帶去連接的，在稍后的PPT會(huì )給大家介紹一下，方形電池和18650電池路徑是不一樣的。觸發(fā)的原則是一樣，周邊有相鄰兩顆以上的電池，我們可以把它作為目標電芯進(jìn)行觸發(fā)，鎳帶連接的電池，因為鎳帶對熱的傳遞，導致整個(gè)模組很快出現了一個(gè)熱失控的情況。
這是我們看到方形電池，右邊這是軟包裝電池組成的電池箱。我們對這個(gè)電池箱來(lái)進(jìn)行熱失控的時(shí)候，可以采用加熱的方式或者采用過(guò)充的方式來(lái)觸發(fā)電池的熱失控。我們對方形電池采用過(guò)充的方式，只需要斷開(kāi)，對單顆電芯進(jìn)行熱失控觸發(fā)就可以。比如就拿一個(gè)加熱的電阻絲，包上，也是滿(mǎn)足這樣的功率要求，但是觸發(fā)的苛刻程度遠大于加熱塊觸發(fā)的程度。另外像右邊這個(gè)是軟包裝電池，軟包裝電池它的保護裝置比較少，采用過(guò)充和加熱的方式都比較容易觸發(fā)熱失控的。右邊這個(gè)電池很不錯的，只出現了冒煙的情況，并沒(méi)有起明火。
這是我們來(lái)做的一些電池，我們是采用針刺的方式，觸發(fā)了電池模組的熱失控。我們采用這種觸發(fā)的時(shí)候，這個(gè)模組并不像我們想象的很瞬間的出現很?chē)乐氐谋ㄇ闆r，方形電池基本上還是比較柔和的，這是一個(gè)三元材料的電池，比較柔和的一次電壓出現一個(gè)降低的情況，我們可以看到右邊溫度的曲線(xiàn)。這個(gè)電池是一顆一顆出現爆開(kāi)的情況，但并沒(méi)有出現所有的電池起非常大的明火。
這個(gè)電池是我們來(lái)做一個(gè)整包級別的熱失控擴展的情況，整個(gè)電池從我觸發(fā)它熱失控開(kāi)始，電池箱開(kāi)始有冒險的情況，到第一個(gè)明火出現在上蓋的時(shí)候，這個(gè)時(shí)間持續了九十幾秒，電池是非常柔和的出現失控的狀況。當整個(gè)電池箱持續在30分鐘以上才出現了一個(gè)轟然的情況，我們對這種電池做了非常多的測試，看到整個(gè)電池箱里面大部分是因為氣體積累在里面，這個(gè)電池箱里面的電池是陸陸續續出現失控，溫度累計到一定程度，這是火災一個(gè)比較常見(jiàn)的現象。盡管環(huán)境當中某一個(gè)椅子出現起火，開(kāi)始就他自己找，房間周?chē)奈矬w都不會(huì )發(fā)生燃燒的。當溫度累計到一定程度之后，會(huì )出現整個(gè)房間瞬間就燃燒的一個(gè)情況。這個(gè)在電池箱里面也是非常常見(jiàn)的，所以大家在進(jìn)行電池箱火災控制的時(shí)候，我們有研究，你到底在什么時(shí)候啟動(dòng)這個(gè)噴淋和消防，或者啟動(dòng)滅火是能夠有效的抑制這個(gè)電池箱出現熱失控。
這個(gè)是我們借鑒了一些文獻去研究的，方形、軟包和圓柱電池它的熱失控的傳播路徑，我們有效阻止這個(gè)傳播，就能有效去抑制這個(gè)電池出現熱失控。這是軟包電池的，我們做了串聯(lián)和并聯(lián)結構的，我們看到上面這個(gè)曲線(xiàn)是串聯(lián)結構的，它發(fā)生熱失控出發(fā)觸發(fā)熱失控的時(shí)間和我采用并聯(lián)結構，它的擴展時(shí)間基本是一樣的。也就是說(shuō)這個(gè)電池它的連接片和電池本身這個(gè)模組的電壓對電池出現熱失控擴展，它的影響并不是非常大。也就看到方形電池和軟包電池基本它的熱傳遞都是面和面的接觸進(jìn)行一個(gè)熱量的傳遞，引發(fā)下一顆電池出現這樣的失控，形成了擴展。
這是18650電池的，18650電池電芯和電芯之間是有一定間距的，電池出現熱失控的時(shí)候，它的泄氣閥開(kāi)啟，是從上蓋的位置出現一個(gè)泄氣的狀況。為了看的更明顯一點(diǎn)，左邊是一個(gè)溫度的曲線(xiàn)，如果采用十顆電芯焊在一起，你會(huì )發(fā)現電池在瞬間就出現了一個(gè)失控的情況，整個(gè)小模組。在右邊我們可以看到中間那條在四伏左右那個(gè)位置，我把十串的電芯進(jìn)行觸發(fā)其中一顆電芯熱失控的時(shí)候，當整個(gè)熱失控的時(shí)候，還有部分電芯沒(méi)有著(zhù)。18650電池它的熱傳遞不是靠電芯和電芯之間面的傳遞，更多是跟你的連接方式有很大關(guān)系。這里面采用冷卻水系統，冷卻水系統也是一個(gè)很好的導熱體，這些都是很好的熱量傳遞造成失控擴展的主要因素。
我們?yōu)榱巳ビ行У目刂颇愕碾姵爻霈F熱失控的擴展，出現失控我們不在意，如何有效抑制它的熱失控擴展?？刂颇汶娦镜臒釡囟葌鬟f到下一顆電芯的時(shí)候，不要到達這個(gè)電池安全開(kāi)啟的情況，出現泄氣。還有采用熱的絕熱材料。
接下來(lái)一個(gè)簡(jiǎn)單的結論，振動(dòng)、沖擊是動(dòng)力電池系統可靠性關(guān)鍵指標，通過(guò)振動(dòng)測試的設計能有效的發(fā)現電池系統結構薄弱點(diǎn)及做好電池輕量化設計。另外在熱失控擴展，到IEC標準，UL標準以及新的國標都有做了規定，這項測試現在熱失控擴展的測試由于操作的方法不一樣，對測試結果影響也是非常大的。我們更希望在后續的過(guò)程中，其實(shí)我們也會(huì )配合中汽研做更多的研究工作，能夠把這個(gè)方法更好的去統一起來(lái)。謝謝大家！
?。ǜ鶕l(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）
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