普瑞賽思朱靜：動力電池振動和熱失控擴(kuò)展測評方案及改善措施
深圳普瑞賽思檢測技術(shù)有限公司副總經(jīng)理朱靜作主題演講
11月17日，“2017’第二屆動力電池應(yīng)用國際峰會暨第三屆中國電池行業(yè)智能制造研討會”在北京精彩召開。本屆峰會由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會和電池中國網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會動力電池應(yīng)用分會承辦，無錫先導(dǎo)智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會人數(shù)超600人。
在動力電池技術(shù)創(chuàng)新分論壇上，深圳普瑞賽思檢測技術(shù)有限公司副總經(jīng)理朱靜作主題演講，同與會嘉賓分享了該公司在電動汽車動力電池測試評價整體方案領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗。
以下為朱靜演講內(nèi)容：
各位專家，各位同事大家上午好！非常感謝支持人的介紹。其實今天我非常高興有這個機(jī)會在這里跟大家共同分享一下電動汽車動力電池安全和可靠性的評價，今天由于時間關(guān)系，我這個報告里面重點就集中在振動和熱失控擴(kuò)展這兩項測試來進(jìn)行展開。也看到這兩項的測試是在我們實際整個電池設(shè)計過程當(dāng)中是非常關(guān)鍵的，我這邊更多的工作是集中在如果針對這些標(biāo)準(zhǔn)的驗證過程中，我們出現(xiàn)一些失效，我們應(yīng)該從哪些方面進(jìn)行一些改善。
今天我的報告分為以下三個部分，第一部分跟大家簡單介紹一下我們動力電池系統(tǒng)潛在的失效如何去進(jìn)行一些識別和標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中對測試項目的一些介紹。在第二部分會跟大家介紹一下安全和可靠性的評價，更多的是我們一些研發(fā)的測試，就是針對我們這些測試項目當(dāng)中增加哪些監(jiān)控的參數(shù)，可以看到我們電池一些潛在的失效。我們針對這些潛在的失效，如何對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行一些結(jié)構(gòu)的改善，以及我們熱安全的改善。最后一部分是一個簡單的結(jié)論。
首先我先花一分鐘的時間簡單介紹一下普瑞賽思，普瑞賽思是一家獨立的第三方檢測機(jī)構(gòu)，我們專注于動力電池和消費類電池的一些測試。在2015年我們是有擴(kuò)建了動力電池的實驗室，目前這個實驗室投入使用，目前是一萬五千平方米。測試能力覆蓋動力電池電芯、模組、電池系統(tǒng)、性能、環(huán)境、可靠性、安全測試，這是我們實驗室的一些測試設(shè)備。這是我們合作的客戶以及我們做過的一些典型的案例，實驗室目前開展比較多的研究包括熱失控擴(kuò)展的研究，火燒的實驗，以及電池的模組和電池系統(tǒng)的火災(zāi)控制。
我們看一下整個動力電池系統(tǒng)，大家都非常清楚，可能有很多同事有看過這張PPT。這個是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，我們在評測我們整個動力電池系統(tǒng)的時候，其實是從它的基礎(chǔ)單元，我們的電芯、模組以及所有的輔助部件，包括其他的零部件，像塑料部件以及冷卻系統(tǒng)，對動力電池進(jìn)行一個結(jié)構(gòu)的設(shè)計和我們的安全設(shè)計。針對我們剛才看到的電池復(fù)雜的系統(tǒng)，我們來看一下常見的失效會發(fā)生在哪里。我們在做電池結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候應(yīng)該關(guān)注哪些潛在的失效，首先從它最基礎(chǔ)的單元來看，電芯級別，最常出現(xiàn)的，電芯出現(xiàn)漏液，泄氣，最嚴(yán)重的發(fā)生起火、爆炸的情況。針對電芯，也有很多車企做了很多實驗，單體電芯出現(xiàn)安全閥開啟的時候，到底產(chǎn)生哪些氣體，它的氣體流量怎么樣，壓力怎么樣，這些都是對應(yīng)我們整個Pack系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，對應(yīng)整個Pack的泄氣閥的設(shè)計。還有BMS它的通訊是否正常，BMS大家都有，都認(rèn)為BMS很好。我們在實驗室工作過程當(dāng)中，包括一些性能測試的過程當(dāng)中都有出現(xiàn)BMS通訊的中斷，還有像BMS功能的失效，比如我周邊有很多大功率工作的設(shè)備，電磁的干擾會導(dǎo)致我BMS通訊的失效，這些都會影響整個BMS的安全管理，以及對電池的管理。
現(xiàn)在實驗室做長期壽命循環(huán)的時候有出現(xiàn)BMS丟針的情況，沒有反饋給充放電設(shè)備，充放電設(shè)備還會繼續(xù)工作，就會導(dǎo)致電池出現(xiàn)一些安全風(fēng)險。還有一些出現(xiàn)比較多的就是絕緣是不是有做好，這是要常關(guān)注的一些測試項目。接下來看一下機(jī)械性的，比如電池殼出現(xiàn)的一些機(jī)械風(fēng)險，沙塵、風(fēng)塵會不會影響到整個電池系統(tǒng)的安全性。另外一個，大家比較關(guān)注的還有一點就是這個冷卻系統(tǒng)的密閉性，冷卻液泄露，對電池有很大的風(fēng)險。我們在實驗室里也做了非常多這方面的研究工作，考察了不同的冷卻液，它在電池系統(tǒng)里面出現(xiàn)泄露的時候，會對電池系統(tǒng)出現(xiàn)哪些風(fēng)險和影響。另外由于振動，機(jī)械沖擊的過程當(dāng)中，電池會出現(xiàn)一些傳感器的脫落，還有連接的松動，導(dǎo)致BMS對電壓監(jiān)測的失效，以及對電池保護(hù)的失效，這些都是在實驗室經(jīng)常會發(fā)生的一些失效的點。
我們接下來看一下我們電池的可靠性評價，跟我們動力電池比較相關(guān)的，不管我們現(xiàn)在有多少個標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在我們看一下，大部分的標(biāo)準(zhǔn)，我們按照不同的區(qū)域來進(jìn)行劃分。一個是我們中國大陸國標(biāo)的體系，這里面有些，今天重點是集中在可靠性和安全的，所以我把31467.1、.2關(guān)于性能的部分就刪掉了。另外是歐洲的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，國標(biāo)主要就是GB-T 31467.3，ISO12405-1、2、3，SAE2929、2464，以及UL2580的標(biāo)準(zhǔn)，我們看一下我們重點關(guān)注的一些可靠性和安全的測試項目。可靠性里面的振動和機(jī)械沖擊，這兩項測試是幾乎在所有的標(biāo)準(zhǔn)里面都有被涉及到。只是說這些標(biāo)準(zhǔn)里面對于振動的測試條件略有不同而已。經(jīng)過差不多一年多的測試實際的情況，振動測試過程當(dāng)中也是我們樣品失敗比較多。在我們實驗室里面也接觸到了非常多的振動測試，經(jīng)過這種研發(fā)的驗證，發(fā)現(xiàn)它一些潛在的失效。另外一個就是機(jī)械沖擊，機(jī)械沖擊也是在測試過程中表現(xiàn)出問題比較多的一個測試項目。像其他這些翻轉(zhuǎn)，溫度沖擊，溫?zé)嵫h(huán)在這里不詳細(xì)闡述。
我們再看一下安全測試，對過溫測試、短路測試，這些也是在各個標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中都有涉及到，它出現(xiàn)的頻率是非常高的。因此，大家去看一下，我們在做這個電池研發(fā)測試的時候，應(yīng)該重點關(guān)注哪些測試項目，如何去設(shè)計你的測試評價路線，更有效的得到一些可靠的信息，去為下一步的整改電池結(jié)構(gòu)提供一些基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。
還有看一下擠壓、熱失控擴(kuò)展和火燒的測試，以前還被翻譯成熱失控蔓延，后來歐陽明高教授提出擴(kuò)展它是一個主動的過程。我們通常做振動的時候，通常步驟是這樣，首先對電池系統(tǒng)做一些基本功能的檢查。這里面包括絕緣、耐壓以及密閉性，測試它是不是有漏氣漏液的檢查，然后再掃頻，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的固有頻率，不管大家是做Z軸、Y軸的振動，在振動測試結(jié)束之后，再做一次掃頻，通過固有頻率的變化，我們看電池的結(jié)構(gòu)是不是出現(xiàn)一些坍塌或者結(jié)構(gòu)破裂的情況，還能關(guān)注到你的電池系統(tǒng)在實際測試過程中是不是在固有的頻率下發(fā)生共振的情況。如果出現(xiàn)了共振，這個機(jī)械結(jié)構(gòu)是很容易被破壞掉的。在所有的掃頻結(jié)束之后，還會做一次檢查，對水冷系統(tǒng)是一個很大的考驗。
我們通常做的順序也是從零部件部分，然后評價到模組部分，我們在模組評價驗證之后，模組的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本沒有問題以后，通常會去做模擬樣件，來進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的驗證之后，才會采用真的樣品進(jìn)行振動加溫度循環(huán)，同時加一些充放電，這樣的過程利于發(fā)現(xiàn)你的結(jié)構(gòu)損失，第二有利于保護(hù)我們的實驗室實驗人員的安全。
這是我們實際做的掃頻，左邊這個圖，它僅有很小的頻率，偏差只有一點七幾的赫茲，通常小于五赫茲，我們認(rèn)為這個機(jī)械結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的變化。右邊看到這些頻率點發(fā)生的變化，右邊這組圖是實際振動過程中這個樣品被我們強(qiáng)制停掉了，因為它出現(xiàn)了一些異常，當(dāng)我們打開電池包，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)坍塌了，當(dāng)時是一個軟包裝的電池，出現(xiàn)了短路的情況，幸好這個電池沒有出現(xiàn)起火，但是模組已經(jīng)有燒毀的情況了。
振動前后應(yīng)該關(guān)注哪些項目？你去檢查哪些項目？振動前后，如果有機(jī)會拆開這個電池，進(jìn)行開箱檢查的時候，我們會關(guān)注你的電芯是不是有出現(xiàn)損壞，還有關(guān)注我的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，包括螺絲，看電池內(nèi)部的模組之間的連接是不是有出現(xiàn)松脫，這些測試建議大家在電池不同位置，如果是做研發(fā)階段的，在電池不同的位置來布置一些傳感器，通過這些傳感器的變化，你可以看到電池結(jié)構(gòu)的一些變化，避免我們在測試過程中一定等到測試結(jié)束那一刻才去開箱過程。另外常出現(xiàn)的，觸點的松脫，這個都是在振動過程當(dāng)中我們看到的一些實際情況，建議大家在你做振動測試或者機(jī)械沖擊的測試形成的一個流程。
接下來跟大家探討一下熱失控的擴(kuò)展，涉及到熱失控擴(kuò)展的幾個標(biāo)準(zhǔn)，SAE2464，還有UL2580、IEC62619，還有新版推出的國標(biāo)，熱失控擴(kuò)展是怎么樣一個實施方式。這是涉及到的一些標(biāo)準(zhǔn)，我們分別看了這些標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中一些差異。這些標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中對熱失控擴(kuò)展的方法基本上大同小異，只是說有些標(biāo)準(zhǔn)里面規(guī)定，基本所用的辦法就是針刺，過充和加熱，有些標(biāo)準(zhǔn)可以說這三種方式的結(jié)合，比如用加熱的針去進(jìn)行針刺，去觸發(fā)目標(biāo)電芯的熱失控。
我們針對不同結(jié)構(gòu)，比如圓柱電池，還有像軟包電池和方形電池它的不同觸發(fā)方法，比如這個圓柱電池，一種方式是采用加熱片的方式，觸發(fā)這個電芯熱失控。還有針刺的方式，對18650電池，很難采用過充的方式去實施，因為它上面CAD的保護(hù)。另外我們看一下像這個電池，這是采用鎳帶去連接的，在稍后的PPT會給大家介紹一下，方形電池和18650電池路徑是不一樣的。觸發(fā)的原則是一樣，周邊有相鄰兩顆以上的電池，我們可以把它作為目標(biāo)電芯進(jìn)行觸發(fā)，鎳帶連接的電池，因為鎳帶對熱的傳遞，導(dǎo)致整個模組很快出現(xiàn)了一個熱失控的情況。
這是我們看到方形電池，右邊這是軟包裝電池組成的電池箱。我們對這個電池箱來進(jìn)行熱失控的時候，可以采用加熱的方式或者采用過充的方式來觸發(fā)電池的熱失控。我們對方形電池采用過充的方式，只需要斷開，對單顆電芯進(jìn)行熱失控觸發(fā)就可以。比如就拿一個加熱的電阻絲，包上，也是滿足這樣的功率要求，但是觸發(fā)的苛刻程度遠(yuǎn)大于加熱塊觸發(fā)的程度。另外像右邊這個是軟包裝電池，軟包裝電池它的保護(hù)裝置比較少，采用過充和加熱的方式都比較容易觸發(fā)熱失控的。右邊這個電池很不錯的，只出現(xiàn)了冒煙的情況，并沒有起明火。
這是我們來做的一些電池，我們是采用針刺的方式，觸發(fā)了電池模組的熱失控。我們采用這種觸發(fā)的時候，這個模組并不像我們想象的很瞬間的出現(xiàn)很嚴(yán)重的爆炸情況，方形電池基本上還是比較柔和的，這是一個三元材料的電池，比較柔和的一次電壓出現(xiàn)一個降低的情況，我們可以看到右邊溫度的曲線。這個電池是一顆一顆出現(xiàn)爆開的情況，但并沒有出現(xiàn)所有的電池起非常大的明火。
這個電池是我們來做一個整包級別的熱失控擴(kuò)展的情況，整個電池從我觸發(fā)它熱失控開始，電池箱開始有冒險的情況，到第一個明火出現(xiàn)在上蓋的時候，這個時間持續(xù)了九十幾秒，電池是非常柔和的出現(xiàn)失控的狀況。當(dāng)整個電池箱持續(xù)在30分鐘以上才出現(xiàn)了一個轟然的情況，我們對這種電池做了非常多的測試，看到整個電池箱里面大部分是因為氣體積累在里面，這個電池箱里面的電池是陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)失控，溫度累計到一定程度，這是火災(zāi)一個比較常見的現(xiàn)象。盡管環(huán)境當(dāng)中某一個椅子出現(xiàn)起火，開始就他自己找，房間周圍的物體都不會發(fā)生燃燒的。當(dāng)溫度累計到一定程度之后，會出現(xiàn)整個房間瞬間就燃燒的一個情況。這個在電池箱里面也是非常常見的，所以大家在進(jìn)行電池箱火災(zāi)控制的時候，我們有研究，你到底在什么時候啟動這個噴淋和消防，或者啟動滅火是能夠有效的抑制這個電池箱出現(xiàn)熱失控。
這個是我們借鑒了一些文獻(xiàn)去研究的，方形、軟包和圓柱電池它的熱失控的傳播路徑，我們有效阻止這個傳播，就能有效去抑制這個電池出現(xiàn)熱失控。這是軟包電池的，我們做了串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的，我們看到上面這個曲線是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的，它發(fā)生熱失控出發(fā)觸發(fā)熱失控的時間和我采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，它的擴(kuò)展時間基本是一樣的。也就是說這個電池它的連接片和電池本身這個模組的電壓對電池出現(xiàn)熱失控擴(kuò)展，它的影響并不是非常大。也就看到方形電池和軟包電池基本它的熱傳遞都是面和面的接觸進(jìn)行一個熱量的傳遞，引發(fā)下一顆電池出現(xiàn)這樣的失控，形成了擴(kuò)展。
這是18650電池的，18650電池電芯和電芯之間是有一定間距的，電池出現(xiàn)熱失控的時候，它的泄氣閥開啟，是從上蓋的位置出現(xiàn)一個泄氣的狀況。為了看的更明顯一點，左邊是一個溫度的曲線，如果采用十顆電芯焊在一起，你會發(fā)現(xiàn)電池在瞬間就出現(xiàn)了一個失控的情況，整個小模組。在右邊我們可以看到中間那條在四伏左右那個位置，我把十串的電芯進(jìn)行觸發(fā)其中一顆電芯熱失控的時候，當(dāng)整個熱失控的時候，還有部分電芯沒有著。18650電池它的熱傳遞不是靠電芯和電芯之間面的傳遞，更多是跟你的連接方式有很大關(guān)系。這里面采用冷卻水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)也是一個很好的導(dǎo)熱體，這些都是很好的熱量傳遞造成失控擴(kuò)展的主要因素。
我們?yōu)榱巳ビ行У目刂颇愕碾姵爻霈F(xiàn)熱失控的擴(kuò)展，出現(xiàn)失控我們不在意，如何有效抑制它的熱失控擴(kuò)展。控制你電芯的熱溫度傳遞到下一顆電芯的時候，不要到達(dá)這個電池安全開啟的情況，出現(xiàn)泄氣。還有采用熱的絕熱材料。
接下來一個簡單的結(jié)論，振動、沖擊是動力電池系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵指標(biāo)，通過振動測試的設(shè)計能有效的發(fā)現(xiàn)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)薄弱點及做好電池輕量化設(shè)計。另外在熱失控擴(kuò)展，到IEC標(biāo)準(zhǔn)，UL標(biāo)準(zhǔn)以及新的國標(biāo)都有做了規(guī)定，這項測試現(xiàn)在熱失控擴(kuò)展的測試由于操作的方法不一樣，對測試結(jié)果影響也是非常大的。我們更希望在后續(xù)的過程中，其實我們也會配合中汽研做更多的研究工作，能夠把這個方法更好的去統(tǒng)一起來。謝謝大家！
（根據(jù)發(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）
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