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锂电池系统起火原因分析

2018-10-10 17:25:25  691 锂电池
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            都说安全是动力电池的命根儿,最近在思考电池系统由内而外起火的原因分析,这里主要是考虑一层层原因往前去推,然后考虑将以前和未来的事故都放进去进行匹配,再根据各个车型的实际设计推测未来出事故的PPM(百万分率)。下文把所有厂家的名字都去掉了,探讨这个话题并不针对任何企业,不做评判。

          这是从假定单个出问题,再扩展到全局的实验维度,从图中可以看出:

        

          整个分析只是为了匹配电池系统着火这个极端事件产生的,我们就区隔出由机械滥用的内容,电池系统的设计基础是着眼于放在一个车辆比较安全的位置,防止在车辆使用过程中出现问题,整个机械设计固然是目前大量做针刺、挤压等实验安全性的内容,但实际上由机械滥用引起的问题反而成为大家容易解决的问题。

        

          以特斯拉的三起事故为例:

          1.在美国田纳西州士麦那起火燃烧,这辆电动车冲向掉落路面的拖车挂钩,底盘碰撞后发生火灾。

          2.驾驶者在转弯时撞上、并穿过了了一座水泥墙,最终撞在一棵树上停了下来,起火。

          3.在西雅图车主称撞上了路中的金属残片,因此他离开了高速公路。车子失效后,他又闻到了燃烧的味道,车辆此时着火燃烧。

          这种机械上的设计也显得简单,在结构外围和底盖考虑更多的防护,即可取得立竿见影的效果。

          我们把本年发生的事情,把厂家去掉,可以再思考一下车起火是电池还是电池之外?很大一部分是电池之外的负载,线缆过热导致外围部分被点燃的事更多些。

          这里我们可以分基本的三层,着火的本质原因:

          1.电池内的未按照设计意图的热能释放+内外燃烧物

          2.电池内的可燃气体释放+燃点

          3.电池内的可燃液体释放+燃点:此处主要包括电解液泄漏和冷却液泄漏两部分。

        我们可以对电池系统的热能释放来考虑:

          1.电池包或电池单体过充

          过充一般而言确实是热能释放比较普遍的原因,电池包级热失控事件,可以往下细分为多电池(模组、单体过充),电池过充和电解液蒸发过热,还有就是电池剩余容量(SOC)计算错误引起的过充,高SOC状态下,未按照保护而进行能量回收引起的,以及充电控制程序卡住引起的过充。

          2短路过流的人热能释放

          电池包/高压电路故障导致短路,散发热量。主要是由电池包内部短路和外部短路,引起导体和连接器过热、单体过热引发随后的热事件,进一步细分也可以分解成模组的短路引发的部件过热。例如模组一级的短路、电池组内一级短路、外围腐蚀性/导电液体进入引起的短路。

          3高连接阻抗的发热

          电池包/高压电路的故障,导致充放电回路中出现高阻值的位置,电流在这一高阻点的温度上升,可能导致了相邻材料的着火和后续的热量传播。干路连接点接触不良、腐蚀引起发热。

          4.电池的内阻提升和内部出现过热

          单体排气产生可燃性气体,随后的热源(电弧,单体热失控)导致电池系统的多余热能。单体单点故障热失控界定实验,可以考虑单个单体扩展到整体方面的,在既定的条件下,将实现每个电池包备案交底,有些参考作用,但实验的条件与故障的发生不大可能完全吻合。

        

          案例回顾

          实际上起火的事故都是交织在一起的:

          漏液加短路

          案例1:A车起火

          现象1:电池箱内电池单体出现两包以上漏液

          现象2:电池单体和电池箱铝壳之间的绝缘受损

          运行振动后电池箱内出现局部电池间歇性短路,绝缘损毁点通过电池箱及支架的接地构成强电压的短路回路,热能释放,电解液和电池本体的发热引发事故。

          火势扩大,点燃内饰

          案例2:B车起火

          现象1:车辆发生猛烈碰撞后,电池结构受损,冷却管破裂引发冷却液泄漏

          现象2:冷却液浸没电池管理单元(BMU)电路后引发缓慢的化学作用

          采样点浸没后,板级没有彻底防水设计导致缓慢加热触发冷却液燃点,在停车场放置了几周后起火。

          小结:

          1.起火是个很极端的事情,但是曝光度很高,大家第一反应都是电池系统的事情,从各种分析来看,从电池系统着火起来的事,必定有故障发生,而且有热量集聚引燃。

          2.如果把更多公开的信息汇总在一起,再拆解对比,完善系统分析过程还是可以达成一些共识避免很多未来的着火事故。

         

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