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电池热失控是什么意思?如何理解电池包的热失控?

2020-03-26来源:动力电池热失控技术研究

说起电池包的热失控时,我们实际上在指什么?电芯的热失控。

电池热失控

可能大部分人都是这么认为的,不过,如果你仔细深究下去,这个观点可能是片面的,这种片面的理解不利于我们在实际的工程中展开对热失控的防护。这也正是大众汽车试图所要探讨的问题。具体参考:Thermal runaway and thermal runaway propagation in batteries: What do we talk about?

之所以会首先有这种想法,一个重要的因素在于电动汽车行业的人真正意识到热失控这个问题,是由电芯领域引入的,而绝大部分的热失控也是由电芯引发的,电芯的热失控是一个至高关注度问题;但当到了电池包这个层面,事情就不这么简单,你会发现在分析热失控问题时,有些热失控并不是电芯引起的,即它不是电芯的热失控,尽管它最后可能也导致电芯发生了热失控。

可能这么说还有点绕。举个例子,电池包内的短路导致低压线束起火或BMS故障导致板子烧熔起火,或是回路上的高电阻导致高压线路起火,在没有相应的防护措施时,火势是无法控制的,即形成了热失控蔓延,这种情况最后会危机到电芯,进一步导致电芯起火,形成电芯的热失控。

即:对于电池包的热失控来说,电芯热失控只是其中一个非常重要的内容,但不是全部,还有其他的热失控。这样理解,在功能安全危害分析时,对导致起火的类别划分时,也就说得通了。否则,按电芯热失控的思路来进行,就是过充、过放、过温、过流、欠压、机械滥用(如碰撞等)。是如何也分析不到上面的例子的。这个时候,只有把它们放到过温或过流的原因中去。

这种以电芯先入为主的思路大大限制了对热失控这个领域的理解,所以像大众这样的车企都会感到困惑,每次谈到热失控总感觉朦胧不清。因为当前的很多标准,在对热失控进行定义或研究时,潜意识都是以电芯来进行的,比如:

GTR 20(Global Technical Regulation for Electric Vehicle Safety)在对热失控进行定义时,也只是从如何来探测或判断热失控已经发生了。

Detection of thermal runaway.

Thermalrunaway can be detected by the following conditions:

(i)The measured voltage of the initiation cell drops;

(ii)The measured temperature exceeds [the maximum operating temperature defined by

themanufacturer];

(iii)dT/dt ≥ [1°C/s] of the measured temperature.

Thermalrunaway can be judged when:

(a)Both (i) and (iii) are detected, or

(b)Both (ii) and (iii) are detected.

我国则对这个触发判定的要求做了进一步的要求,具体如《电动汽车用动力蓄电池系统热扩散乘员保护测试规范》5.3.6所述:

热失控触发判定条件:

a)  触发对象产生电压降,且下降值超过初始电压的25%;

b)  监测点温度达到制造商规定的最高工作温度;

c)  监测点的温升速率dT/dt≥1 ℃/s,且持续3 s以上。

当a)和c)或者b)和c)发生时,判定发生热失控。如果采用推荐的方法作为热失控触发方法,且未发生热失控,为了确保热扩散不会导致车辆乘员危险,需证明采用如上两种推荐方法均不会发生热失控。

在上面所举的例子中,当上述任何两个条件满足时,热失控早就已经触发了。相当于整个电池包都已经着火了,我们还在等电芯的这些参数发生变化。

一但你概念理不清晰或认识的角度有歧义,后面要解决起问题来就相对困难。要理清晰电池包的热失控,就要回到本源上,即“热”上,弄明白有哪几种情况能产生热。大众对此给出的划分为5点:

第1个产热来源:来自周围外界物体的热,无论是热辐射、热对流,还是热传递,混合动力的内燃机、带加热功能的电池加热器,或是电芯中泄漏的可燃气体燃烧;

第2个产热来源:电流作用而生产的热,电芯之外电路中的高电阻或是电芯内阻;另外就是短路产生的热,包括电芯之外电路中的外短路,电芯自身的内短路(枝晶,制造过程中的颗粒,集流体之间的短路等);

第3个产热来源:电化学反应,主要在于过充条件下,或是低电压大电流充电的情况下;

第4个产热来源:是单纯的化学反应,正负极材料与氧气的反应等;

第5个产热来源:第5个产热来源:其他,包括气体的膨胀等。

以电芯为分界点,进行划分,对于热失控的可能原因,传递层级可以用下面类似的图来说明。

热失控的可能原因

热失控的理解是关键,在此基础上,如何进行相对应的功能安全分析,各家车企业都有自己的思路与做法。继续以大众为例子,它构建的热失控(蔓延)防护系统图如下:

大众为例子,它构建的热失控(蔓延)防护系统图

可以划分为5个功能模块:

可以划分为5个功能模块

对不同级别的零部件进行ASIL等级评定,电芯的示例如下:

对不同级别的零部件进行ASIL等级评定,电芯的示例如下

模组级别的示例如下:

模组级别的示例如下

整车级别的示例如下:

整车级别的示例

大众对热失控的危害等级最高定义到了ASIL D,这是功能安全的最高级别,宝马在当初在国内的车型热失控的危害定义到了ASIL C。所以,这些具体操作层面的东西的差异还是有的,包括对这些危害场景的分析定义,划分。

所相同的是你对概念的理解,对这其中系统性工程方法的运用。

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