電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與防護(hù)設(shè)計
日期：2024-10-16 07:41:06 作者：宏力精密鋼管 閱讀數(shù)：389一、 前言
隨著電動汽車的日益普及，與電動汽車相關(guān)的安全事故也逐漸增多，不斷刺激著公眾的神經(jīng)，加深了公眾對于新產(chǎn)品、新事物的疑慮。
動力電池系統(tǒng)安全分析與防護(hù)設(shè)計
4月26日下午，深圳一輛電動大巴在公交場站充電時發(fā)生燃燒和爆炸，事故現(xiàn)場濃煙滾滾，事故車輛最后只剩下骨架，所幸未造成人員傷亡。7月22日清晨，廈門市湖里區(qū)東渡南通道公交場站內(nèi)的新能源公交車起火，共造成8輛公交車被燒毀、3輛公交車被燒壞，1名場站值班人員滅火時突然倒地，在120送醫(yī)救治途中死亡。(獨(dú)家報道 | 深圳4.26電動大巴起火調(diào)查結(jié)果公布：過充引發(fā)火災(zāi))
在信息化社會，這些安全事故的新聞以小時甚至分鐘為單位快速擴(kuò)散，造成了非常不利的社會影響。我們無意指責(zé)相關(guān)的整車企業(yè)或電池企業(yè)，事故的原因是復(fù)雜而深刻的，從電池企業(yè)、整車企業(yè)、充電設(shè)備制造商、到公交運(yùn)營公司，每個環(huán)節(jié)都存在問題和過失，才導(dǎo)致了最終的安全事故。
安全是產(chǎn)品的根基，不管什么情況，都不能以犧牲產(chǎn)品安全為代價，為追逐物質(zhì)利益造成人員傷亡或重大財產(chǎn)損失。在社會充滿喧囂和浮躁的背景下，除了政府層面應(yīng)該制定嚴(yán)格的法律法規(guī)和產(chǎn)品準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)之外，每一家企業(yè)都應(yīng)該承擔(dān)起自己的社會責(zé)任，從自身的角度，盡可能杜絕產(chǎn)品的安全隱患。
二、 動力電池系統(tǒng)安全分析
1. 系統(tǒng)級危害
作為純電動汽車的唯一能量來源和混合動力汽車的重要能量來源，動力電池系統(tǒng)的安全性顯得非常重要，稍有不慎即可能成為事故的源頭，造成嚴(yán)重危害。
動力電池系統(tǒng)的定義：是一個能量存儲裝置，包括電池單體(電芯)或電池模組，電路和電控單元，以及相關(guān)的電氣和結(jié)構(gòu)組件。
動力電池系統(tǒng)的安全特征：作為高能量載體，在不需要外部能量輸入的情況下，本身就能夠因能量非正常釋放而產(chǎn)生巨大破壞力。
能量非正常釋放的表現(xiàn)形式：
? 電能釋放(電擊)
? 化學(xué)能釋放(燃燒，爆炸)
燃燒和爆炸兩者都需具備可燃物、氧化劑和火源這三個基本因素。因此，燃燒和爆炸就其本質(zhì)來說是相同的，而它們的主要區(qū)別在于氧化反應(yīng)速度不同。燃燒速度(即氧化速度)越快，燃燒熱的釋放越快，所產(chǎn)生的破壞力也越大。在有限的空間里產(chǎn)生急速燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，就會發(fā)生爆炸。
燃燒：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、光能等
爆炸：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、光能，并伴有巨大的機(jī)械能
動力電池系統(tǒng)的電特性：
? 輸出電壓通常高達(dá)300V以上(直流60V以上為非安全電壓)
? 存儲的能量達(dá)到kWh級別(1kWh=3.6MJ)
動力電池系統(tǒng)安全分析與防護(hù)設(shè)計
動力電池系統(tǒng)的化學(xué)特性：
? 電池單體中的電解液和系統(tǒng)中的塑料部件是可燃物，金屬鋁在高溫下也會燃燒
? 電池單體中的正負(fù)極材料是氧化劑
? 電池單體中的放熱副反應(yīng)會引起溫度快速上升，成為火源
動力電池系統(tǒng)安全分析與防護(hù)設(shè)計
動力電池系統(tǒng)的機(jī)械特性：
? 為了防水防塵，呈空間密閉狀態(tài)
? 為了經(jīng)受強(qiáng)烈的機(jī)械載荷，殼體材料具有足夠的強(qiáng)度
動力電池系統(tǒng)安全分析與防護(hù)設(shè)計
2. 電擊分析
動力電池系統(tǒng)為非安全電壓的直流電系統(tǒng)，所造成的電擊危害為人體直流觸電。
構(gòu)成直流觸電的基本要素：
? 電壓等級超過安全電壓標(biāo)準(zhǔn)(直流60V)
? 存儲的電荷達(dá)到一定能量等級(幾百焦耳的電能足以致命)
? 人體與高壓直流電的兩級構(gòu)成放電回路
直流觸電發(fā)生的必要條件是帶電物體的正負(fù)極必須與人體構(gòu)成放電回路，直流觸電的發(fā)生概率和危害都小于交流觸電，交流觸電只要人體接觸某一相線，即可在相線、人體和大地之間構(gòu)成放電回路。
導(dǎo)致動力電池系統(tǒng)發(fā)生觸電的可能原因：
? 外殼或高壓端口的接觸防護(hù)失效，人體同時接觸到兩個裸露的電極，構(gòu)成放電回路
? 正負(fù)極與殼體的絕緣都失效，動力電池系統(tǒng)的外殼不同部位帶電且電位不等(電位差大于60V)，人體同時接觸到這兩個帶電部位，構(gòu)成放電回路
第一種情況的發(fā)生概率和危害要高于第二種情況，如安裝、拆卸、維護(hù)、充電時均有可能發(fā)生，第二種情況一般可以通過等電位的方式來做附加防護(hù)。
3. 燃燒和爆炸分析
相對于電擊而言，燃燒和爆炸是動力電池系統(tǒng)最為常見的危害表現(xiàn)形式，造成的影響更為嚴(yán)重。
導(dǎo)致動力電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的可能原因：
? 電芯的放熱副反應(yīng)導(dǎo)致熱失控，引燃電解液、隔離膜和其他可燃物質(zhì)
? 局部連接阻抗過大，導(dǎo)致溫度上升，達(dá)到著火點(diǎn)溫度，引燃動力電池包內(nèi)部的可燃物質(zhì)
? 動力電池包外部發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致動力電池包溫度持續(xù)上升，達(dá)到著火點(diǎn)溫度，引燃內(nèi)部的可燃物質(zhì)
針對電動汽車的使用情況而言，第一種情況的發(fā)生概率最高，危害最大。電芯的放熱副反應(yīng)導(dǎo)致熱失控，是動力電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的主要原因。
鋰離子電池內(nèi)部主要放熱反應(yīng)有：
? SEI膜的分解(90~120℃);
? 負(fù)極與電解液的反應(yīng)(120℃以上);
? 電解液分解(200℃左右);
? 正極與電解液的反應(yīng)，伴隨正極分解，析出氧氣(180~500℃);
? 負(fù)極與粘結(jié)劑的反應(yīng)(240℃以上)等。
電芯熱失控(燃燒，爆炸)的原因：電芯內(nèi)部的放熱副反應(yīng)導(dǎo)致熱量累積，電芯對外熱交換的速率小于熱量累積速率，溫度持續(xù)升高，直至達(dá)到著火點(diǎn)溫度，引起燃燒和爆炸。
電芯內(nèi)部的熱過程遵循熱量平衡：
Qp = Qe + Qa
Qp—電芯內(nèi)部各種副反應(yīng)產(chǎn)生的熱量
Qe—電芯與環(huán)境交換的熱量(散熱)
Qa—電芯自己吸收的熱量(熱累積)
如果Qe ≥ Qp，則Qa為負(fù)值或零，電芯內(nèi)部溫度不會上升，不會產(chǎn)生熱失控
如果Qe < Qp，則Qa為正值，電芯內(nèi)部溫度持續(xù)上升，直至熱失控(200~300℃)
避免電芯熱失控的措施：
? 采取保護(hù)措施，降低外部觸發(fā)因素發(fā)生概率(過充、過熱、短路、擠壓、穿刺等);
? 阻斷放熱副反應(yīng)的正反饋過程，如增加保險絲，或在正負(fù)極材料與集流體之間增加PTC材料;
? 降低放熱副反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，如選擇磷酸鐵鋰正極材料、改變電解液的有機(jī)溶劑成分等;
? 提高著火點(diǎn)溫度，如在電解液中添加阻燃材料、選用陶瓷隔膜等;
? 提高散熱能力，避免熱累積，如采用高效的液冷設(shè)計方案等。
三、 安全防護(hù)設(shè)計
1. 整體思路
動力電池系統(tǒng)安全防護(hù)的根本原則：阻止電能和化學(xué)能在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)和某些非正常狀態(tài)(法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的情況，以及典型的失效情況)，以不可控的方式釋放，或減輕其不可控釋放所帶來的危害。
安全防護(hù)設(shè)計的主要方法：
1) 阻止能量的不可控釋放——預(yù)防危害發(fā)生
2) 阻斷能量不可控釋放的路徑——阻止危害發(fā)生后的蔓延
3) 降低能量不可控釋放的破壞——降低危害所造成的損害
針對電擊危害：
? 被動預(yù)防為主，保證足夠的絕緣強(qiáng)度和有效的接觸防護(hù)
? 采取有效的主動干預(yù)機(jī)制(針對絕緣緩慢失效)，阻止危害發(fā)生，保證安全裕量
? 一旦發(fā)生，因為能量釋放太快(毫秒級)，無法及時進(jìn)行中斷或降損
針對燃燒危害：
? 預(yù)防，中斷和降損有效結(jié)合
? 主動防護(hù)，阻止過充，短路，過熱等濫用情況，避免危害發(fā)生
? 良好的結(jié)構(gòu)防護(hù)，保護(hù)電池在撞擊，擠壓，穿刺，跌落等情況下的安全性
? 良好的散熱能力，降低內(nèi)部熱累計速度，避免熱失控
? 內(nèi)部組件的著火點(diǎn)溫度閾值足夠高，提高危害發(fā)生的門檻
? 防火槽，隔熱材料，導(dǎo)火導(dǎo)熱裝置等中斷火災(zāi)蔓延路徑，阻止連鎖反應(yīng)
? 阻燃材料，降低燃燒損害
? 采取危險源檢測與主動滅火裝置
針對爆炸危害：
? 預(yù)防為主，避免燃燒
? 中斷和降損為輔，在發(fā)生爆燃時，有泄壓裝置，快速釋放高溫高壓氣體，避免爆炸，或降低爆炸的力度
2. 工程方法
安全的防護(hù)設(shè)計，是一個系統(tǒng)工程，切勿從局部入手，僅根據(jù)某些典型的失效案例，采取有限的應(yīng)對措施，或者僅根據(jù)國外和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的要求，簡單通過相關(guān)的測試和認(rèn)證。
在產(chǎn)品的安全設(shè)計工作中，要追根溯源，抽絲剝繭，綜合運(yùn)用多種工程方法和措施，從系統(tǒng)級到子系統(tǒng)、部件、零件等各個層級都采取完整而有效的解決方案，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的安全性。
在項目的早期，產(chǎn)品僅處于概念或草案階段，此時需要結(jié)合已有的工程經(jīng)驗，綜合考慮產(chǎn)品所面向區(qū)域的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、典型案例、客戶需求等因素，確定產(chǎn)品的系統(tǒng)級安全目標(biāo)。
項目早期(概念階段)：
? 工程經(jīng)驗
? 法律法規(guī)
? 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
? 已有案例
…
在產(chǎn)品的方案階段，則要根據(jù)產(chǎn)品的總體架構(gòu)和接口定義，基于產(chǎn)品的系統(tǒng)級安全目標(biāo)，綜合運(yùn)用頭腦風(fēng)暴、魚骨圖分析、FTA、System-FMEA、建模仿真等工程方法，確定詳細(xì)的安全目標(biāo)和相關(guān)指標(biāo)，并分解至子系統(tǒng)或零部件，同時確定相互之間的安全設(shè)計配合。
項目早期(方案階段)：
? 頭腦風(fēng)暴
? 魚刺圖(魚骨圖)
? FTA(故障樹分析)
? S-FMEA
? 仿真
…
在接下來的開發(fā)過程中，仍然需要將安全的相關(guān)設(shè)計目標(biāo)往下分解，直至最底層的零件，建立完善的需求分解和追溯系統(tǒng)。運(yùn)用DFMEA、測試、安全評估等方法，驗證安全設(shè)計的有效性和完整性。
項目過程中(設(shè)計/驗證階段)：
? D-FMEA
? 測試
? 安全評估
…
在產(chǎn)品的安全設(shè)計方案方面，應(yīng)該結(jié)合主/被動安全防護(hù)設(shè)計，達(dá)到最佳的安全防護(hù)效果，提升動力電池系統(tǒng)的安全性能。
被動安全防護(hù)設(shè)計：
? 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
? 絕緣材料
? 防水防塵
? 快速散熱
? 防火阻燃
? 壓力泄放
…
主動安全防護(hù)設(shè)計：
? 專有的安全防護(hù)電路與軟件模塊
? 絕緣、煙霧、壓力、氣體、液體檢測
? 達(dá)到閾值門檻，執(zhí)行報警、切斷輸出、主動滅火等措施
…
通過系統(tǒng)級防護(hù)設(shè)計和零部件防護(hù)設(shè)計相互結(jié)合，能夠獲得較高的安全冗余，從而提升動力電池系統(tǒng)的安全性能。
系統(tǒng)級安全防護(hù)設(shè)計：
? 環(huán)境防護(hù)
? 濫用防護(hù)
? 壓力平衡
? 主動安全防護(hù)
…
零部件級安全防護(hù)設(shè)計：
? 電芯在極端情況下的安全性
? 部件在高溫下的阻燃特性
? 控制單元的功能安全
…
3. 建立企業(yè)內(nèi)部規(guī)范
歐美企業(yè)在發(fā)展過程中，會逐步建立自己的產(chǎn)品開發(fā)規(guī)范，從設(shè)計要求、設(shè)計方案、設(shè)計檢查、評審評估等各個方面都有嚴(yán)格規(guī)定，從而在企業(yè)內(nèi)部建立一個防火墻機(jī)制。國內(nèi)企業(yè)在這方面則重視不夠，產(chǎn)品開發(fā)過程受人的影響非常大，不能將經(jīng)驗的積累轉(zhuǎn)化為一種制度性的強(qiáng)制約束，會一而再再而三的重復(fù)別人或自己曾經(jīng)犯過的錯誤。此外，每個公司的資源都是有限的，如果不同產(chǎn)品的經(jīng)驗不能積累成通用化的平臺并充分共享，必然導(dǎo)致資源的投入永遠(yuǎn)跟不上業(yè)務(wù)擴(kuò)張的速度，企業(yè)決策和管理層疲于奔命，工程師累的崩潰，產(chǎn)品問題層出不窮。
在動力電池系統(tǒng)的安全防護(hù)方面，企業(yè)應(yīng)該逐步為自己建立一個行之有效的安全設(shè)計規(guī)范，來約束不同產(chǎn)品的開發(fā)目標(biāo)和過程。如有可能，應(yīng)該逐步推動企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的建立。
四、 總結(jié)
從2013年開始，電動汽車的發(fā)展呈現(xiàn)出一種比較“火熱”的狀態(tài)，一是發(fā)展的速度確實以倍數(shù)在增長，不僅是中國市場井噴，全球電動汽車的產(chǎn)銷都在快速增長;二是安全事故層出不窮，國內(nèi)外都有很多案例，除了新事物本身的不成熟之外，企業(yè)的社會責(zé)任感不足也是非常重要的因素，在涉及到人身安全的產(chǎn)品推廣和普及方面，我們應(yīng)該慎之又慎。
本文寫作的目的，不是要闡述某個具體的動力電池系統(tǒng)安全設(shè)計方案，不同的產(chǎn)品，其類型、應(yīng)用、架構(gòu)都有很大差異，所采取的安全方案也不完全一樣。我們的目的，是探討如何在系統(tǒng)層面把握產(chǎn)品安全分析和設(shè)計的方法，建立適合自己的一套體系和規(guī)則。
在整個行業(yè)還不成熟，且國內(nèi)的技術(shù)水平還明顯落后于國外的情況下，我們反對照搬國外的游戲規(guī)則，如同在溫飽問題沒有解決的情況下，不要過度追求物質(zhì)享受。如ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的體系要求，在未來的幾年內(nèi)，國內(nèi)沒有一家企業(yè)可以達(dá)到，與其耗費(fèi)大量資源去鉆研國外的規(guī)則，不如踏實做好自己的工作，一步一步積累，推動產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定階段的時候，接軌甚至超越都是很自然的事情。
在新能源汽車的發(fā)展道路上，我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)。