蔚来电池系统安全设计的考量

知化笔记-NO.001

内容来源:整理自蔚来汽车Assitant VP-Battery System 曾士哲在ECV的讲演《EnhanceBattery Performance and Safety through Combine BMS and Big Data System》-Part 1

1、

总的安全目标是:电芯层面0热失控,系统层面不发生热失控蔓延,整车层面不会造成二次危害

通常的监测会包括电压的变化、内阻的变化、容量的变化、温度的变化,这些常规的功能,蔚来又有什么与众不同呢?

在新一代的电池包中,对电压的精度、温度的精度都做了提升,在内阻的估算上面,不是单纯的只估算直流内阻,还对电化学阻抗进行了估算,因为电化学阻抗的变化更能让我们了解到电芯的异常与非异常状态。

模组层面需要关注的点也不容忽视,比如Busbar的连接,模组电压本身的跳动,它的回流,以及模组与模组之间压差或是短路行为,很多东西都是可以分析的。

这些之前没有得到重视,我们现在的算法和测定对模组之间的问题做了很多检查点的监控,也做了很多数据上的监控。

对于系统层面的设计,同样也需要跳出系统本身来考虑,比如说要知道外界温度、外界湿度等环境对车的影响,车从很热的环境突然进入到很冷的环境,在这种冷热冲击下,在进行快充,到底会不会对电芯产生影响,这个(温度)收缩的行为到底对电芯意味着什么。类似这样的测试,不仅需要看结果,更要分析这其中的电性变化,机械特性的变化等。

系统也会有很多防护设计,比如最近很多电芯企业在推的特殊电芯隔膜,可以抑制电芯针刺热失控的,或是一些高温收缩率很低的隔膜,我们都有进行评估,希望能找到更有特色的产品,与合作伙伴开发出更好的东西。

我们最近的测试研究也发现,排气阀与电芯壳体的焊接强度,这二者之间的匹配是非常重要的,在寿命的末期,能够正常开阀泄气是重要关注点。

在模组层面,要做比较好的热绝缘、电绝缘;把电芯膨胀力也控制到位,一定要弄清楚这个力的来源,是电极还是产气。

在系统层面,喷阀的设计也很重要,喷阀分为两种,一种是电池包的气压均衡;另一种是防爆泄放,这里要构建一个排气通道,让有害、高温气体能快速排出。

2、

这里是关于热失控蔓延的一些个人心得分享,很细节的内容不会深入探讨。

第一个,我们在拿到电芯后,会首先分析它们在各种不同失效的时候,产生的行为,分析它的薄弱点在哪里。是正极不稳定,还是负极不稳定,还是隔膜方面的问题。这些对应的是上图左下角的部分,然后就是分析它的热失控行为,例如它的分解行为是否是很快的,产生的哪类气体比较多;它是喷了一点之后就在电芯里闷烧,还是很猛烈地快速喷出来,意味着系统要快速地把这些排出去。这些研究对于系统和模组的设计是很重要的。

第二个,上面的图,电芯向上喷出的气体,影响周围的行为是什么,左右边传热影响的行为是什么,底部传热的影响行为是什么。发生热失控时,有没有办法来很快地阻断这3个方向的热传递。我们发现,只要不超过某一个温度值,能够在这个温度值之前,把这个气体排出去的话,或是传热被阻断的话,热失控蔓延是不容易发生的,这是模组层面可以去思考的一个点。另一个模组层面可以思考的点是,如果电芯发生热失控爆炸,那么这种电芯的膨胀,爆炸力冲击会对周围各方向的产生挤压,在这个挤压的条件下,是否仍有足够的绝缘,能不能把排泄通道留好等。

第三个,也就是ARC实验,主要的是T0、T1、T2,我们做了很多的试验,它们还是一个蛮有重复性的结果。对于不同的电芯、不同的行为,会有不同的结果,不同的理论。我们也在这些不同的理论下,去总结电芯合理的使用范围。

简单地说,在电芯级的研究要尽可能完善,掌握它的燃烧行为,才能在模组和整包上进行更好的研究。我们新的(CTP)包的设计,对我们产生了很大的帮助,不仅是能量密度上,而且在具体的(防护)设计上,可以做更多的可能性(方案),去构建排气通道,去做好防护。VDA(方形)电芯,是有侧板的,侧板是一个很好的传热路径,这样就能够很快地将热传递给周边的电芯,此外,侧板本身带正电压的特性,对电/热隔绝带来不利的影响。当然,这个结构在机械稳定性上是非常好的。

3、

总地来看,在电芯隔离上,包括电芯的隔热层的厚度设计,在发生热失控的时候冷却是否能及时开启,绝热材料如何设计等等都是很重要的。

模组层面,要有一个防火墙的设计,另外一个很重要的是一定要避免由于结构的变形,而导致外短路的发生。

在系统层面,要有很好的排气通道;二次绝缘如果出现失效的话,有没有相应的防护机制。另外就是整个包的设计不能因为不均衡设计,而让存在局部弱点,这个弱点往往是容易产生问题的。最后,要有快速的排气灭火设计,同时包的设计上也要给消防留出相应的灭火通道。

我们下一代的(100kWh)包,会有很多不一样的、新的设计。

在上面的分享中可以看出,我们做了很多的试验,包括很多有别于国标的试验,真正应用于实际工况的,有助于我们在热安全等安全防护方面的设计。。

将在明天分享Part 2:Combination:BMS&BIG DATA。

注:文章内容为个人整理,未经主讲人审核,仅供学习参考。


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