重磅動力電池系統(tǒng)安全分析與防護設(shè)計

【重磅】動力電池系統(tǒng)安全分析與防護設(shè)計提示：點上方↑『電動汽車資源網(wǎng)』即可免費訂閱。電動汽車資源網(wǎng)訊：（特約作者夏軍）一、前言隨著電動汽車的日益普及，與電動汽車有關(guān)的安全事故也逐步增多，不停刺激著公眾的神經(jīng)，加深了公眾對于新產(chǎn)品、新事物的疑慮。4月26日下午，深圳一輛電動大巴在公交場站充電時發(fā)生燃燒和爆炸，事故現(xiàn)場濃煙滾滾，事故車輛最后只剩余骨架，所幸未造成人員傷亡。7月22日清晨，廈門市湖里區(qū)東渡南通道公交場站內(nèi)的新能源公交車起火，共造成8輛公交車被燒毀、3輛公交車被燒壞，1名場站值班人員滅火時忽然倒地，在120送醫(yī)救治途中死亡。在信息化社會，這些安全事故的新聞以小時甚至分鐘為單位快速擴散，造成了非常不利的社會影響。我們無意指責(zé)有關(guān)的整車公司或電池公司，事故的因素是復(fù)雜而深刻的，從電池公司、整車公司、充電設(shè)備制造商、到公交運行公司，每個環(huán)節(jié)都存在問題和過失，才造成了最后的安全事故。安全是產(chǎn)品的根基，不管什么狀況，都不能以犧牲產(chǎn)品安全為代價，為追逐物質(zhì)利益造成人員傷亡或重大財產(chǎn)損失。在社會充滿喧囂和浮躁的背景下，除了政府層面應(yīng)當(dāng)制訂嚴(yán)格的法律法規(guī)和產(chǎn)品準(zhǔn)入原則之外，每一家公司都應(yīng)當(dāng)承當(dāng)起自己的社會責(zé)任，從本身的角度，盡量杜絕產(chǎn)品的安全隱患。作者本人曾長久從事電動汽車動力電池系統(tǒng)的開發(fā)工作，也曾擔(dān)任產(chǎn)品級的安全經(jīng)理，對動力電池系統(tǒng)的安全風(fēng)險和防護設(shè)計有一定的認(rèn)識。寫作此文，但愿與業(yè)界同仁一起分享，共同推動行業(yè)的良性發(fā)展。二、動力電池系統(tǒng)安全分析1.系統(tǒng)級危害作為純電動汽車的唯一能量來源和混合動力汽車的重要能量來源，動力電池系統(tǒng)的安全性顯得非常重要，稍有不慎即可能成為事故的源頭，造成嚴(yán)重危害。動力電池系統(tǒng)的定義：是一種能量存儲裝置，涉及電池單體（電芯）或電池模組，電路和電控單元，以及有關(guān)的電氣和構(gòu)造組件。動力電池系統(tǒng)的安全特性：作為高能量載體，在不需要外部能量輸入的狀況下，本身就能夠因能量非正常釋放而產(chǎn)生巨大破壞力。能量非正常釋放的體現(xiàn)形式：電能釋放（電擊）化學(xué)能釋放（燃燒，爆炸）燃燒和爆炸兩者都需含有可燃物、氧化劑和火源這三個基本因素。因此，燃燒和爆炸就其本質(zhì)來說是相似的，而它們的重要區(qū)別在于氧化反映速度不同。燃燒速度（即氧化速度）越快，燃燒熱的釋放越快，所產(chǎn)生的破壞力也越大。在有限的空間里產(chǎn)生急速燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，就會發(fā)生爆炸。燃燒：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、光能等爆炸：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、光能，并伴有巨大的機械能動力電池系統(tǒng)的電特性：輸出電壓普通高達(dá)300V以上（直流60V以上為非安全電壓）存儲的能量達(dá)成kWh級別（1kWh=3.6MJ）動力電池系統(tǒng)的化學(xué)特性：電池單體中的電解液和系統(tǒng)中的塑料部件是可燃物，金屬鋁在高溫下也會燃燒電池單體中的正負(fù)極材料是氧化劑電池單體中的放熱副反映會引發(fā)溫度快速上升，成為火源動力電池系統(tǒng)的機械特性：為了防水防塵，呈空間密閉狀態(tài)為了經(jīng)受強烈的機械載荷，殼體材料含有足夠的強度2.電擊分析動力電池系統(tǒng)為非安全電壓的直流電系統(tǒng)，所造成的電擊危害為人體直流觸電。構(gòu)成直流觸電的基本要素：電壓等級超出安全電壓原則（直流60V）存儲的電荷達(dá)成一定能量等級（幾百焦耳的電能足以致命）人體與高壓直流電的兩級構(gòu)成放電回路直流觸電發(fā)生的必要條件是帶電物體的正負(fù)極必須與人體構(gòu)成放電回路，直流觸電的發(fā)生概率和危害都不大于交流觸電，交流觸電只要人體接觸某一相線，即可在相線、人體和大地之間構(gòu)成放電回路。造成動力電池系統(tǒng)發(fā)生觸電的可能因素：外殼或高壓端口的接觸防護失效，人體同時接觸到兩個裸露的電極，構(gòu)成放電回路正負(fù)極與殼體的絕緣都失效，動力電池系統(tǒng)的外殼不同部位帶電且電位不等（電位差不不大于60V），人體同時接觸到這兩個帶電部位，構(gòu)成放電回路第一種狀況的發(fā)生概率和危害要高于第二種狀況，如安裝、拆卸、維護、充電時都有可能發(fā)生，第二種狀況普通能夠通過等電位的方式來做附加防護。3.燃燒和爆炸分析相對于電擊而言，燃燒和爆炸是動力電池系統(tǒng)最為常見的危害體現(xiàn)形式，造成的影響更為嚴(yán)重。造成動力電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的可能因素：電芯的放熱副反映造成熱失控，引燃電解液、隔離膜和其它可燃物質(zhì)局部連接阻抗過大，造成溫度上升，達(dá)成著火點溫度，引燃動力電池包內(nèi)部的可燃物質(zhì)動力電池包外部發(fā)生火災(zāi)，造成動力電池包溫度持續(xù)上升，達(dá)成著火點溫度，引燃內(nèi)部的可燃物質(zhì)針對電動汽車的使用狀況而言，第一種狀況的發(fā)生概率最高，危害最大。電芯的放熱副反映造成熱失控，是動力電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的重要因素。鋰離子電池內(nèi)部重要放熱反映有：SEI膜的分解（90~120℃）；負(fù)極與電解液的反映（120℃以上）；電解液分解（200℃左右）；正極與電解液的反映，隨著正極分解，析出氧氣（180~500℃）；負(fù)極與粘結(jié)劑的反映（240℃以上）等。電芯熱失控（燃燒，爆炸）的因素：電芯內(nèi)部的放熱副反映造成熱量累積，電芯對外熱交換的速率不大于熱量累積速率，溫度持續(xù)升高，直至達(dá)成著火點溫度，引發(fā)燃燒和爆炸。電芯內(nèi)部的熱過程遵照熱量平衡：Qp=QeQaQp—電芯內(nèi)部多個副反映產(chǎn)生的熱量Qe—電芯與環(huán)境交換的熱量（散熱）Qa—電芯自己吸取的熱量（熱累積）如果Qe≥Qp，則Qa為負(fù)值或零，電芯內(nèi)部溫度不會上升，不會產(chǎn)生熱失控如果Qe避免電芯熱失控的方法：采用保護方法，減少外部觸發(fā)因素發(fā)生概率（過充、過熱、短路、擠壓、穿刺等）；阻斷放熱副反映的正反饋過程，如增加保險絲，或在正負(fù)極材料與集流體之間增加PTC材料；減少放熱副反映所產(chǎn)生的熱量，如選擇磷酸鐵鋰正極材料、變化電解液的有機溶劑成分等；提高著火點溫度，如在電解液中添加阻燃材料、選用陶瓷隔閡等；提高散熱能力，避免熱累積，如采用高效的液冷設(shè)計方案等。三、安全防護設(shè)計1.整體思路動力電池系統(tǒng)安全防護的根本原則：制止電能和化學(xué)能在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)和某些非正常狀態(tài)（法律法規(guī)、原則所規(guī)定的狀況，以及典型的失效狀況），以不可控的方式釋放，或減輕其不可控釋放所帶來的危害。安全防護設(shè)計的重要辦法：1)制止能量的不可控釋放——防止危害發(fā)生2)阻斷能量不可控釋放的途徑——制止危害發(fā)生后的蔓延3)減少能量不可控釋放的破壞——減少危害所造成的損害針對電擊危害：被動防止為主，確保足夠的絕緣強度和有效的接觸防護采用有效的主動干預(yù)機制（針對絕緣緩慢失效），制止危害發(fā)生，確保安全裕量一旦發(fā)生，由于能量釋放太快（毫秒級），無法及時進(jìn)行中斷或降損針對燃燒危害：防止，中斷和降損有效結(jié)合主動防護，制止過充，短路，過熱等濫用狀況，避免危害發(fā)生良好的構(gòu)造防護，保護電池在撞擊，擠壓，穿刺，跌落等狀況下的安全性良好的散熱能力，減少內(nèi)部熱累計速度，避免熱失控內(nèi)部組件的著火點溫度閾值足夠高，提高危害發(fā)生的門檻防火槽，隔熱材料，導(dǎo)火導(dǎo)熱裝置等中斷火災(zāi)蔓延途徑，制止連鎖反映阻燃材料，減少燃燒損害采用危險源檢測與主動滅火裝置針對爆炸危害：防止為主，避免燃燒中斷和降損為輔，在發(fā)生爆燃時，有泄壓裝置，快速釋放高溫高壓氣體，避免爆炸，或減少爆炸的力度2.工程辦法安全的防護設(shè)計，是一種系統(tǒng)工程，切勿從局部入手，僅根據(jù)某些典型的失效案例，采用有限的應(yīng)對方法，或者僅根據(jù)國外和國內(nèi)原則的規(guī)定，簡樸通過有關(guān)的測試和認(rèn)證。在產(chǎn)品的安全設(shè)計工作中，要追根溯源，抽絲剝繭，綜合運用多個工程辦法和方法，從系統(tǒng)級到子系統(tǒng)、部件、零件等各個層級都采用完整而有效的解決方案，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的安全性。在項目的早期，產(chǎn)品僅處在概念或草案階段，此時需要結(jié)合已有的工程經(jīng)驗，綜合考慮產(chǎn)品所面對區(qū)域的法律法規(guī)、原則規(guī)范、典型案例、客戶需求等因素，擬定產(chǎn)品的系統(tǒng)級安全目的。項目早期（概念階段）：工程經(jīng)驗法律法規(guī)原則規(guī)范已有案例…在產(chǎn)品的方案階段，則要根據(jù)產(chǎn)品的總體架構(gòu)和接口定義，基于產(chǎn)品的系統(tǒng)級安全目的，綜合運用頭腦風(fēng)暴、魚骨圖分析、FTA、System-FMEA、建模仿真等工程辦法，擬定具體的安全目的和有關(guān)指標(biāo)，并分解至子系統(tǒng)或零部件，同時擬定互相之間的安全設(shè)計配合。項目早期（方案階段）：頭腦風(fēng)暴魚刺圖（魚骨圖）FTA（故障樹分析）S-FMEA仿真…在接下來的開發(fā)過程中，仍然需要將安全的有關(guān)設(shè)計目的往下分解，直至最底層的零件，建立完善的需求分解和追溯系統(tǒng)。運用DFMEA、測試、安全評定等辦法，驗證安全設(shè)計的有效性和完整性。項目過程中（設(shè)計/驗證階段）：D-FMEA測試安全評定…在產(chǎn)品的安全設(shè)計方案方面，應(yīng)當(dāng)結(jié)合主/被動安全防護設(shè)計，達(dá)成最佳的安全防護效果，提高動力電池系統(tǒng)的安全性能。被動安全防護設(shè)計：構(gòu)造強度絕緣材料防水防塵快速散熱防火阻燃壓力泄放…主動安全防護設(shè)計：專有的安全防護電路與軟件模塊絕緣、煙霧、壓力、氣體、液體檢測達(dá)成閾值門檻，執(zhí)行報警、切斷輸出、主動滅火等方法…通過系統(tǒng)級防護設(shè)計和零部件防護設(shè)計互相結(jié)合，能夠獲得較高的安全冗余，從而提高動力電池系統(tǒng)的安全性能。系統(tǒng)級安全防護設(shè)計：環(huán)境防護濫用防護壓力平衡主動安全防護…零部件級安全防護設(shè)計：電芯在極端狀況下的安全性部件在高溫下的阻燃特性控制單元的功效安全…3.建立公司內(nèi)部規(guī)范歐美公司在發(fā)展過程中，會逐步建立自己的產(chǎn)品開發(fā)規(guī)范，從設(shè)計規(guī)定、設(shè)計方案、設(shè)計檢查、評審評定等各個方面都有嚴(yán)格規(guī)定，從而在公司內(nèi)部建立一種防火墻機制。國內(nèi)公司在這方面則重視不夠，產(chǎn)品開發(fā)過程受人的影響非常大，不能將經(jīng)驗的積累轉(zhuǎn)化為一種制度性的強制約束，會一而再再而三的重復(fù)別人或自己曾經(jīng)犯過的錯誤。另外，每個公司的資源都是有限的，如果不同產(chǎn)品的經(jīng)驗不能積累成通用化的平臺并充足共享，必然造成資源的投入永遠(yuǎn)跟不上業(yè)務(wù)擴張的速度，公司決策和管理層疲于奔命，工程師累的崩潰，產(chǎn)品問題層出不窮。在動力電池系統(tǒng)的安全防護方面，公司應(yīng)當(dāng)逐步為自己建立一種行之有效的安全設(shè)計規(guī)范，來約束不同產(chǎn)品的開發(fā)目的和過程。如有可能，應(yīng)當(dāng)逐步推動公司內(nèi)部原則的建立。四、總結(jié)從開始，電動汽車的發(fā)展呈現(xiàn)出一種比較“火熱”的狀態(tài)，一是發(fā)展的速度確實以倍數(shù)在增加，不僅是中國市場井噴，全球電動汽車的產(chǎn)銷都在快速增加；二是安全事故層出不窮，國內(nèi)外都有諸多案例，除了新事物本身的不成熟之外，公司的社會責(zé)任感局限性也是非常重要的因素，在涉及到人身安全的產(chǎn)品推廣和普及方面，我們應(yīng)當(dāng)慎之又慎。本文寫作的目的，不是要敘述某個具體的動力電池系統(tǒng)安全設(shè)計方案，不同的產(chǎn)品，其類型、應(yīng)用、架構(gòu)都有很大差別，所采用的安全方案也不完全同樣。我們的目的，是探討如何在系統(tǒng)層面把握產(chǎn)品安全分析和設(shè)計的辦法，建立適合自己的一套體系和規(guī)則。在整個行業(yè)還不成熟，