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【微课堂】黄丁来:热失控极早期准确监测预警——动力电池安全广泛高效使用的技术核心

  • 原创
  • 2017-07-21 10:59
  • 来源:电动汽车资源网 淦文珍

摘要:他总结说,从某种程度上讲,单个电芯的热失控并不可怕,可怕的是单个电芯热失控引发的链式反应会加速周边电芯发生热失控,最终导致火灾的发生。

7月20日19:30,电动汽车资源网第十二期微课堂活动正式上线,烟台创为新能源科技有限公司技术研究院/高级工程师黄丁来做客微课堂,做主题为“热失控极早期准确监测预警——动力电池安全广泛高效使用的技术核心”的分享。黄丁来从新能源汽车的安全隐患、极早期准确监控预警实例分析、动力电池安全-热失控与扩展几大方面做详细解读。电动汽车资源网整理如下:

【微课堂】黄丁来:热失控极早期准确监测预警——动力电池安全广泛高效使用的技术核心

一、新能源汽车热失控引发的安全焦虑

1.国内外新能源汽车安全事故分析

据统计,2016年国外共发生新能源汽车起火事故6起(合计6辆)。其中,特斯拉MODEL S车型起火4起,位于首位,是国外发生事故较多的车型;其次是宝马i3和欧蓝德PHEV各1起。从动力类型来看,国外新能源汽车起火事故中纯电动占主流,共有4起。

据不完全统计,2016年国内被报道出来的新能源汽车起火事故共计29起,总计40辆车,涉及的地区、品牌、车企较多。

黄丁来表示,通过对国内新能源汽车安全事故的统计分析发现,引发热失控的原因很多。其中,人为因素占到1.4%,被引燃占到2.7%,碰撞引起占到2.7%,车辆浸水,然后导致电器短路而引发的事故占比3.1%,最多的两种情况为行车和充电状态下出现热失控而引发事故,占比较高。

分车型来看,新能源客车出现热失控占比62%,新能源乘用车为35%,新能源专用车为3%。由此可见,新能源客车的安全事故不容忽视,因为一旦出现事故,影响面极广且十分恶劣。

从动力类型看,纯电动出现事故的比例为79%,油电混合占比10%,插电式混合动力占比7%,其他类型占比为4%。黄丁来表示,新能源汽车上安装的电池越多,风险越大,出现热失控或者起火的概率相对越大,给驾驶人员与乘客带来的风险也就越大。

他表示,根据2011-2016国内新能源汽车火灾事故趋势,平均每100万辆新能源汽车发生火灾次数为50次。他预测,随着新能源汽车保有量的增加,若2020年新能源汽车保有量达到500万辆,火灾事故将达到250次。随着新能源汽车销量和保有量增加,起火事故会进一步爆发。

2.国家为安全立法 出台多个新能源汽车标准与法令

为了推动新能源汽车产业的健康稳定发展,消除新能源汽车的安全隐患,国家为安全立法,工信部、交通部、公安部出台多个相关标准及法令。

多个标准与法令中无不提到新能源汽车应安装动力电池箱专用自动灭火装置。

工信部、交通部、公安部相关标准及法令

标准/法令名

要点

JT/T325《营运客车类型划分及等级评定》

纯电动客车及混合动力客车应装配有动力电池箱专用自动灭火装置。

JT/T888《公共汽车类型划分及等级评定》

纯电动公共汽车及混合动力公共汽车应装配有动力电池箱专用自动灭火装置。

JTT 1026-2016 纯电动城市客车通用技术条件

电池箱的舱体内应配置具有高温预警及自动灭火功能的电池箱专用自动灭火装置。

《电动客车安全技术条件》

可充电储能系统应具备火灾监测自动报警功能,应在驾驶区域给驾驶员提供声或光报警信号。

GB7258《机动车运行安全技术条件》

车长大于等于6m的纯电动客车、插电式混合动力客车,应能监测动力电池工作状态并在发现异常情形时报警,且报警后5分钟内电池箱外部不得起火爆炸。

黄丁来表示,安装动力电池箱专用自动灭火装置已是大势所趋,因为自动灭火装置能为逃生预留更多宝贵的时间,为事故处置提供时间,以此保障人们的生命与财产安全。

3.现有BMS能实现电池热失控早期预警吗?

新能源汽车都会安装BMS(电池管理系统),BMS也能对电池温度进行采集,那么能通过BMS来实现预警吗?根据相关统计,目前没有一起新能源汽车火灾事故是通过BMS预警出来的。原因有四:第一,BMS仅采集少量电池表体温度,并不是采集电池箱每节电池的温度;第二,热失控前期,温度变化非常缓慢,多是气体与烟雾状态,而BMS没有配置采集气体/烟雾的传感器,所以无法实现早期预警;第三,BMS系统的温度传感器没办法探测电解液泄漏,黄丁来介绍说,电解液泄漏是电池热失控产生的极大隐患,因为电解液带有一定的腐蚀性,能够腐蚀电池箱内的元器件,加速元器件的老化。综上,BMS难以起到电池热失控早期预警的作用。

二、动力电池安全-热失控与扩展分析

1.何为热失控与热失控扩展

所谓热失控(thermal  runaway)是指单体电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化,不可逆,引起过热、起火、爆炸现象。热失控扩展(thermal  runaway  propagation)是指电池包,或者电池系统内容的单体电池或者电池模组单元热失控,并触发电池系统中相邻或其他部位的动力电池的热失控的现象。

【微课堂】黄丁来:热失控极早期准确监测预警——动力电池安全广泛高效使用的技术核心

图为清华大学得到的某款常见材料的锂离子动力电池热失控的机理

从上图可以看到,当热失控发生时,各种材料相继发生热化学反应,放出大量的热量,形成链式反应效应,使得电池体系内部温度不可逆地快速升高。链式反应过程中,电解液气化及副反应产气造成电池体系内压力升高,电池喷阀破裂后,可燃气体被点燃发生燃烧反应。单体电池的热失控特性表现为其组成材料反应热特性的叠加。

2.影响电动汽车电池安全的因素:

黄丁来表示,引发电池热失控与热失控扩展主要为以下几个方面:充电安全(充电电缆、充电线路、欠压、过压等);电芯自身的安全(微短路);Pack 热管理设计;外部环境带来的安全隐患(碰撞、外部火烧、挤压、跌落、电池箱体盐雾腐蚀,酸雨腐蚀,化学腐蚀);滥用安全(过充、过放、短路过温);BMS管理系统的不可靠(检测精度差、SOC估算不准、BMS自身质量问题、CAN通讯问题)。

他表示,热失控主要诱因包括:机械诱因、电诱因和热诱因。不管是机械滥用还是电滥用,最终都会导致电芯出现内短路,内短路后隔膜被刺穿,正负极发生化学反应,从而产生大量可燃性气体,并且内部产生大量的热,可燃性气体在热的作用下,严重的情况就会出现爆炸。当单体电芯出现热失控时,随着温度的升高,就会生成一个温度场,使得周边的电芯也处于一个高温环境,由此埋下更大的隐患。

他总结说,从某种程度上讲,单个电芯的热失控并不可怕,可怕的是单个电芯热失控引发的链式反应会加速周边电芯发生热失控,最终导致火灾的发生。

3.动力电池自动灭火装置安全设计

黄丁来以创为的探测控制器为例说到,在热失控早期阶段,气体传感器主要是采集可燃性气体的溶度变化,起到一个二级预警的作用;随着热失控的蔓延,下一阶段就会出现烟雾,烟雾传感器和气体传感器就会对烟雾的变化进行采集,处理器就会对烟雾做出判断,起到一个三级预警作用。

电池热失控最后的状态就是起火和爆炸,该探测器不仅能采集气体和烟雾变化,还能采集温度变化。他表示,在这一阶段,电芯内部温度变化非常之快,而且温度很高,最高可达上千度,而该探测器都能采集到相应的参数,并根据热失控的数学模型,最后来判定温度状态,从而控制火灾的发生。

优质的电池热失控早期预警产品应具备三个条件:

黄丁来表示首先是做到早期的预警,其次是不漏报与不误报。

对于早期的预警,产品需要具备:一、多传感器的融合;二、能够做到全周期火情检测,产品要具备低功耗的功能;三、具备热失控模型,根据模型来判断热失控的等级;四、产品要便于安装与使用。

黄丁来表示,不漏报和不误报是产品设计的核心内容。创为通过纵向、横向、垂向三维融合,用数学手段,以大量实验及真实运行数据为基础,归纳热失控导致的各种变量之间的内在关系,形成极早期、高可靠、自运行的“锂离子电池热失控模型”,实现电池火灾隐患的早期预警和智能控制。

所谓纵向为多传感器的数据冗合,即对多组同环境下的传感器数据进行多次拟合,模拟不同材料、不同环境的数据表征曲线;横向为对传感器的历史数据进行连续时间算法,排除噪音干扰,有效解决传统的阈值法监测方式的漏报、误报、预警滞后问题;垂向采用穿刺、钝针积压等不同方法模拟不同类型,不同容量动力电池热失控过程。

自由交流环节:

群友刘喜会问:1.控制器的电,行业内怎么做的?BMS供电还是12V电瓶?

2.分布式布局哪个位置最优?一般需要多少个?

3.气体的成分主要是哪些?电解液之外还有其他的吗?

黄丁来答刘喜会问:1.供电问题,您说的这两种方式都可以,具体和应用的方案有关;2.我们建议的安装方式是电池箱顶部或者侧面的位置;3.气体成分主要包括类CO 、烷类气体、烯烃类气体以及卤素类气体等。

群友段永康问:1、贵公司产品的通用性如何,针对采用不同电芯,不同容量,不同结构的pack,是否需要开发特定的消防装置?如果不需要,在不同规格的电池包中监测的数据的可靠性如何?

2.一定电量或者一定体积空间中,传感器布置的数量,位置是否有确定标准?谢谢!

黄丁来答段永康问:1.从产品的硬件上来说是完全通用的,不管是磷酸铁锂、三元锂还是钛酸锂与锰酸锂等,不需要进行特定的开发,但是软件的算法是不一样的,针对不同种类的电芯,我们根据我们的锂电池热失控数学模型和大量的实验数据来界定;2.一个电池箱只需要布置一个探测控制器(内部集成了气体传感器、烟雾传感器和温度传感器),安装的问题建议安装在电池箱四周靠上部的位置。 

(来源:电动汽车资源网 淦文珍)

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