电动汽车用动力电池系统安全性设计-0901..

电动汽车用动力锂离子电池系统

安全性设计

拟稿：张建华

2014、7、31

目录

1、序言

2、锂离子电芯安全特性

3、几种锂离子电芯安全特性分析

4、由锂离子电芯组成的电池PACK的安全性特性分析

5、锂离子电池PACK安全性设计

6、结论

一、序言

1、特斯拉电动汽车六次碰触起火事件

7月4日，在一起离奇的盗窃事件中，特斯拉意外成为了主角。一名身份未明的男子7月4日早间盗窃ModelS汽车后，引发警方的高速追逐。该男子随后在西好莱坞撞上多辆汽车，并在撞击路灯后解体成两半，引发电池着火。7月7日，特斯拉表示，该公司将调查在高速追逐中因碰撞而解体成两半，并着火的ModelS汽车残骸。

从2013年下半年开始，特斯拉已经发生了六起起火事件。其中两起是行驶中车辆自燃，两起是碰撞起火，原因是车主驶过路面上的残骸致使电池箱被刺穿后起火，有一起在充电时发生，还有一起原因不明。

1）11月6日，据海外网站报道，一辆特斯拉Model S电动车在美国田纳西州纳什维尔附近再度遭遇起火事故，车头几乎全部烧毁。

2）10月1日，一辆Model S撞上了路中的金属残片引发事故着火燃烧,车辆前部的一块电池包起火。

3）10月18日中旬，在墨西哥，一辆高速行驶特斯拉Model S撞到了一堵混凝土墙，紧接着又撞上了一棵大树，随后起火燃烧。

结论：汽车底盘在受到猛烈冲击变形后会产生着火事故；

底盘受到猛烈冲击类似于挤压和针刺的综合测试。

2、比亚迪e6着火事件

2012年5月26日凌晨3时08分，深圳滨海大道西行侨城东路段发生的一起重大交通事故，让电动汽车的安全问题成为了全世界关注的焦点。当时，一男子载三女驾驶一辆红色日产GT-R跑车，高速撞上两辆同方向行驶的出租车。其中一辆比亚迪E6电动出租车起火燃烧，一名男性出租车司机连同两名女性乘客被困火中当场死亡。

涉及各领域的13名知名专家，包括电动汽车整车及动力系统、部件安全、结构安全、汽车碰撞、电子电气安全、动力电池、汽车交通事故鉴定、火灾调查、材料燃烧特性等专业领域。专家分别来自中国汽车技术研究中心、交通运输部、科学研究院、公安部天津消防研究所、广东省消防总队、北方车辆研究所、S MG等，进行为期70天的调查。

专家组得到的结论是：电池没爆炸，着火起因是e6受到两次严重碰撞，车身后部及电池托盘严重变形、动力电池组和高压配电箱受到严重挤压，导致部分动力电池破损短路、高压配电箱内的高压线路与车体之间形成短路，产生电弧，引燃内饰材料及部分动力电池等可燃物质。e6的动力电池系统在整车上的安装布局、绝缘防护及高压系统等方面设计合理，“整车安全未见设计缺陷”。

结论：

汽车底盘在受到猛烈冲击变形后会产生着火事故；

底盘受到猛烈冲击类似于挤压和针刺的综合测试。

3、锂离子电池在新能源汽车应用上必需考虑的四个安全层面：

1）电芯自身安全性问题；

2）电池模组安全性问题；

3）电池PACK安全性问题；

4）使用过程的安全性问题；

二、锂离子电芯安全性特征

1、锂离子电芯分类

1）圆柱形；

2）钢壳方形及塑壳方形；

3）液态软包；

2、锂离子电芯材料安全特性分析

正极材料、负极材料、电解液和隔膜是锂离子电芯必不可少的四个组成部分，对锂离子电芯的安全性起到决定性作用。锂离子电芯内部各化学成分是导致装有锂离子电池车辆起火燃烧的先决条件。

✧正极材料对安全性的影响

正极材料对动力电池安全性的影响主要表现在两个方面：

1）正极脱嵌的锂离子过多，在负极表面析出形成锂枝晶。

一方面，锂枝晶容易刺穿隔膜，造成电池内部短路，而且金属锂的熔点较低，即使锂枝晶没有刺穿隔膜，只要温度较高，金属锂就会熔融，从而将正负极短路；另一方面金属锂非常活泼，会直接和电解液反应放热，造成安全事故。

2）正极材料与电解液发生氧化-还原反应放热，造成热失控。

三种正极材料中锰酸锂氧化-还原温度为250℃左右，磷酸铁锂更是高达400℃，而镍钴锰酸锂氧化-还原温度只有180℃左右，具有较强的氧化性，易氧化放热而造成热失控。

✧负极材料对安全性的影响

负极材料的安全性通常受负极材料的热稳定性和负极表面固体电

解质界面膜（SEI膜）热稳定性影响。负极表面SEI膜的热稳定性由负极材料和电解液共同决定，SEI膜的主要成分为有机碳酸盐，其分解温度约为130℃，当这层起钝化作用的界面膜受热分解后，高活性的含锂负极裸露于电解液中，导致它们之间发生剧烈的氧化还原反应，放出的热量引起电池温度急剧上升，并引发其他可能的放热反应，使电池进入热失控状态。

✧电解液对安全性的影响

电解液对动力电池安全性的影响主要体现在两个方面：

1）电解液溶剂组分的高温、高压稳定性决定电池整体安全性能。2）特殊功能添加剂对改善SEI膜成膜效果、控制电解液中酸和水含量有显著作用。还可以通过阻燃添加剂和过充保护添加剂抑制热失控和高电压造成的安全危险。

✧隔膜对安全性的影响

大量试验结果证实，导致正常使用条件下电池起火燃烧等安全事故的主要原因是电池内部短路。内部短路导致安全事故的原理是：隔膜被硬物、毛刺、锂枝晶等刺破形成微小的通孔，正负极在通孔处发生短路，短路时产生的热量使隔膜熔融收缩，短路面积逐渐扩大，积累到一定程度后，热失控导致电池起火燃烧。

三、几种锂离子电芯安全特性分析

1）锂离子18650电芯安全特性分析

锂离子18650电芯外表尺寸：直径18.0mm，高度65.0mm。

锂离子18650电芯结构特点：

正极：顶部原点；负极：壳体；

塑料膜：每个18650电芯都带一个包装塑料膜，起绝缘作用；锂离子18650电芯安全特点：

电解液：属于有机可燃物，在一定温度下会燃烧，引起火灾；

在电解液泄漏时，见火即着；

隔膜：在一定温度（大于160度）下会收缩，造成正负极短路，引起火灾；

外壳体：钢壳，做为负极使用；

当多节串联使用时，遇到碰撞，可引起壳体短路，

引起火灾；

在剧烈碰撞下，电解液泄漏遇明火会燃烧。

2）锂离子钢壳电芯安全特性分析

特点：正极，负极与壳体有电压差，壳体具有第三极性；

在充放电过程中正极，负极与壳体有电压差变化；

锂离子钢壳电芯结构特点：

壳体：与正极，负极形成第三极性，有电压差；

外加塑料套：每个钢壳电芯都带一个塑料套，起绝缘作用；

锂离子钢壳电芯安全特点：