动力电池系统的可靠性与安全性

动力电池系统的可靠性与安全性主讲人：李新宏日期：2011-09-19北京普莱德新能源科技有限公司东莞新能源科技有限公司北大先行科技产业有限公司内容摘要第一部分事故及要素分析√由安全事故引发的思考，三个不等于√电芯内短路风险与机理√连接可靠性与安全风险评估√总结：动力电池系统的可靠性与安全性要素第二部分实现途径及方式√系统安全依赖于设计设制造过程√可靠性安全性与成本的矛盾关系√动力电池的安全设计原则√结构与环境对电池安全性的影响√系统模拟分析与优化第三部分实验与运行验证√强制性安全实验√滥用模拟安全实验√实际运行结果分析电芯安全≠整车安全两起事故特点：1.均为运营车辆，运行强度高，环境恶劣；2.单个电芯安全，但成组后因连接和热管理原因导致失控；3.一旦发生事故，火势很难控制，车辆全毁；上海纯电动客车杭州纯电动出租车材料安全≠电池安全DSCTestResults-0.250.500.751.001.251.501.752.00050100150200250300350400450500Temp(Deg.C)Heatflow(mW/mg)NCANMCLMOLFPLTOGrHCARCTestResults0123455075100125150175200225250275300Temp(°C)Self-heatingRate(°C/min)NCAGrHCNMCLCOLMOLTOLFP1.磷酸铁锂电池也会发生热失控，只是在1000℃不释放氧气的特征，相对在300~500℃释放氧气的钴酸锂、锰酸锂、三元材料表现得更加稳定而已；2.锂离子电池各个组成部分均有可能导致锂离子电池发生燃烧，相互之间具有连锁应；3.由于工艺上的问题，会有短路的风险，就会可能发生安全问题。在笔记本电脑和其他电子产品上，出现这个问题的概率是千万分之一，但一辆车的电池组由成百上千颗电池组成，发生问题的概率就会增加到几千分之一。电池内短路失效模型元件可靠≠连接可靠安费诺系列接插件BUSSMAN系列熔断器泰科系列继电器1.单个元器件均符合UL/CSA/IEC/ISO安全认证，其中接插件防护等级IP68，熔断器短路响应时间≤0.1秒，继电器带载切断3000次以上；2.对于大型电池组，工作电流超过100A，接头上经常有高达几百安培的电流，接头稍微有松动就会出现电弧，更容易引发安全事故；电池与接线端子可靠度及风险预测在n=100个电池串联形成的系统里面，单个电池1C使用可靠度只要99%,就可保证在电池柱中0.2C使用经历ｎ个串联，失效率低于1ppm.而单个接线端子即使做到了6sigma的品质水平，经历（n+n/12)或者（n+n/8)对端子串联后，失效率在650ppm以上。所以在动力电池组中，可靠度控制的核心在于接线端子，而不是电池。原因是电池容量冗余形成了并联关系提高可靠度，而端子数量成倍且串联降低可靠度。总结：系统安全性与可靠性要素①电气②机械③热管理电芯状态是否一致？是否具备均衡功能？元器件是否耐高低温、腐蚀和高压？焊点或接触点是否出现虚连接？连接点尤其是螺栓是否松动？{{{外箱，模组边框，接插头，螺栓是否能通过振动测试？是否存在弱点？各部件公差及膨胀系数是否匹配？是否存在应力？是否有热均衡管理？是否具备紧急情况预警以及泄压设计？以我们近八年来的电动汽车动力电池开发经验来看，系统的科技含量绝不是业界通常所理解的那样低，电池系统的安全和可靠性要求绝不亚于电芯，甚至可能更重要。系统安全性与可靠性实现方法电池安全设计与制造电气元件选型与安装极限应力模拟分析与优化热场流场模拟分布与优化模块化成型与自动化组装可靠性与安全性是设计和制造出来的动力电池系统—核心零部件动力电池机械结构动力电池电气原理动力电池运行控制逻辑电池系统的六大目标1.能量密度2.功率密度3.SoC运行范围4.循环寿命及日历寿命5.安全性6.成本1.目前动力电池重点要解决的问题：可靠性、安全性，寿命，实用性，使用成本；2.最重要的是安全，成本是在安全、可靠性、寿命、容量密度四个问题中是排第四位的；3.成本的问题是在安全性与可靠性得到充分认证和解决后，随着市场化和产业化的进程，必然逐步得到解决；可靠性安全性与成本的关系维护成本曲线成本总可靠性与安全性成本可靠性安全性成本曲线可靠度与安全度水准100%开发与认证开发阶段示范运营市场化运营开发和示范运营阶段，产品量小型号多，认证多，投入大，成本高以低价抢占和开拓市场会带来高风险，是极其危险的做法！！可靠性安全性水平提升途径新型电池动力电池能量密度高运行工况复杂工作环境恶劣消费类电子行业的经验产量大品种多直接面向市场积累多年的可靠性与安全性数据市场洗礼优胜劣汰车企与电池企业联合消费类电子行业的经验具有不可或缺的重要性电芯安全设计的六大原则√可以焊接的金属外壳+防爆膜+陶瓷顶盖+绝缘防护×叠片有错位风险√跑道式卷绕电芯电芯密封性对寿命的影响软包电池的密封性不理想，长时间使用会影响日历寿命钳口的密封性最差，会影响日历寿命激光焊的密闭性最好电芯容量对安全的影响AAB报告显示过充温升随电芯容量的增加而增加电芯内短路造成的热失控风险随容量增加而增加为控制电芯温升和内短路造成的热失控，单体120Ah是目前的理论极限热管理对电芯安全性的影响高温（40)-寿命随温度增加降低-长时间高温会出现鼓胀-超过100℃有安全性风险-......低温（10)-充放电容量降低-低温充电析锂，将有安全性风险-......电池极片低温析锂离外观电芯膨胀隔离膜被刺破元件选型与安装安全原则电气元器件通用安全准则√质量体系：汽车级（TS16949）√防火等级：不低于V0√失效后不冒烟、不起火、不爆炸连接与组装安全准则√可能接触不良的接头，必须远离电池组√靠近电池的接头，必须有低压并联通道√必须有紧急预警及检修装置√接插件必须带有锁止机构√必须有灭弧接地设计电芯充放电热力学仿真系统极限应力模拟分析模拟分析项目加速度最大张力(MP)最大形变量(mm)常规工况条件x方向1.5g26.90.1207y方向1.5g210.6328z方向2g33.60.2364极限工况条件x方向12g215.20.9656y方向12g1685.0624z方向8g134.40.94561.5g(x)d1.5g(y)d2g(z)d1.5g(x)s1.5g(y)s2g(z)s形变模拟分析应力模拟分析热场流场模拟分析（水冷设计）热场-改善前热场-改善后温度差≤5℃某型号动力电池系统模组流场模拟Pack流场模拟模块化设计与自动化组装模组1#模组3#模组2#由模组组合而成的动力电池组72Ah模组Busbar焊接全自动焊接设备与生产线动力电池系统安全测试与验证电池安全测试√常规安全性测试√滥用安全性模拟整车安全运行记录运行示例之迷笛纯电动出租车电芯及模组安全性能测试项目机械滥用测试:冲击、跌落、挤压、针刺、浸渍、撞击、振动；热滥用测试:热辐射、热稳定、热绝缘破坏、过热、高温贮存、热循环；电滥用测试:短路、部分短路、过充电、过放电、低温试验；电芯常规安全测试（201所）穿钉过充挤压电芯常规安全测试模组常规安全实验模块短路试验模块挤压试验模块穿刺试验检验标准：实验后无起火，无爆炸电池滥用安全性模拟实验60AhLFP电芯满充状V3.55V火源燃料：柴油火焰温度约900℃电芯顶部，气体可以从此管导出电芯有气体排出，但不能点燃电芯高温烘烤实验电池组浸盐水实验实验开始实验1小时后实验12小时后结束实验结果：电芯高温烘烤30分钟后无起火，无爆炸；浸水过程无起火和爆炸，此两类实验用于模拟电动系统在遇或或涉水后是否对人员造成伤害排气管设计--热失控后的安全防线申请（专利）号：201020503600.7防电池烟火蔓延安全装置摘要：本实用新型公开了一种防电池烟火蔓延安全装置，其包括设有入风口和出风口的烟火管道，烟火管道的入风口密封套住电池的安全阀，烟火管道的出风口处设有抽风装置。本实用新型防电池烟火蔓延安全装置以不燃或阻燃烟火管道将热失控电池喷出的可燃气体、零星烟雾导走，避免其被临近的接线端子、极柱或导线因短路大电流产生的高温加热点燃。抽风装置可确保热排气速度大于热失控电池的产气速度，避免电池爆炸。电池安全阀有烟嘴（距离小于1cm）,主动抽气，电炉烤50Ah电芯也不烧间隙小于1cm不烧电炉电池气管电池模块泡盐水的放电机理＋－V01V02V03V04Vn电池电压信号线（到BMU）模块正极电缆模块负极电缆泡水后＋－BMU的线号线的泡水水体电阻＝155~1060Ω模块电缆间水体电阻=XΩ。电池漏电流水体电阻放电，造成电压较快降低，但是未热失控。典型值：泡盐水2小时，模块电压从41V降低到16V.超过100%SOC,则放电电流超过0.5C。BMU泡盐水的电缆电阻分析电压测量线温度测量线BMU接头海水塑料容器Ω欧姆表DDWHR电缆直径两电缆间距泡水深度水电阻率水体电阻πρ*2ln**2测量目的：看BMU的导线等泡水后，水体电阻是多少。该水体电组在电池单体间连接形成放电回路。测试方法：见BMU连同测试线一起，浸泡在装有盐水（模拟海水）的塑料容器里面，对露出水面的信号线，用欧姆表测量电阻值。测试值：溶剂：盐水（模拟海水）电阻率ρ＝29Ω*cm。(文献为25~33,ND实测21,SSL用盐水调出29,单位：Ω*cm)电压信号线间水体电阻=155~285Ω。温度信号线间水体电阻=710~1060Ω。安全设计生产与管理让“安全第一”始终贯彻在公司每一个员工的脑海中；借鉴消费类电池产品的经验：10年来累计生产数以亿计的高端电池产品；国际顶级可靠性安全性设计、分析及检验手段安全设计理念：可靠性与安全性冗余安全性评估与预测建立可靠性与安全性评估团队带有第三方性质的评估团队对可靠性和安全性进行进行确认除通过强制检验外，还开发和完善较CCC/USABC/Freedomcar等更为严格的安全检验手段.生产过程控制:SPC，SixSigma整车安全运行记录PacksShippedtoMarket序号车型运行数量（台）类别电池规格运行时间(月)1小型轿车100EV48V/200Ah年2轿车55EV384V/66Ah63轿车20EV336V/70Ah64环卫车16EV336V/300Ah95轿车15EV320V/60Ah96环卫车120EV336/400Ah157轿车5EV336V/100Ah158轿车2EV336V/200Ah129大巴3EV336V/200Ah1510轿车2EV345V/60Ah10EV汇总33811轿车30PHEV320V/35Ah912大巴10PHEV360V/100Ah1813大巴2PHEV384V/200Ah15PHEV-汇总4214大巴2HEV360V/30Ah15HEV-汇总2汇总382说明：1.以上数据截止到2011年8月5日，数据来源于ATL与普莱德部分销售统计整车安全运行案例-迷笛纯电动出租车项目运行近6个月，50辆车共无故障驶699,522公里，耗电136050度。1次充电可行驶130公里，单天最远190公里以7月为例，单车日均行驶95公里左右单车平均行驶15000公里，最大20000公里驾驶员习惯影响车的运行里程70901101301501701902103月4月5月6月7月半年单日运行里程趋势图单日最大行程日平均7月单车行驶最大里程06000120001800080901001201401601802006个月单车行驶里程分布致谢以下单位及个人对本文完成提供了大力支持：√北京普莱德新能源科技有限公司◆原成寅杨槐李丹东周国峰王良坡薛慧娟李亚辉√东莞新能源科技有限公司◆耿继斌吴凯王中生朱坤庆陈朝阳√北大先行科技产业有限公司