3-曾祥兵-高可靠性软包动力电池设计构想
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安全可靠性
♦碰撞安全性 ♦整车一体化 ♦热失控防护
01
02
电池系统集成关键 目标
04
轻量化
♦拓扑优化工具 ♦高强度材料使用
03
低成本
♦原料成本 ♦使用成本 ♦运输和装配
• 系统目标：少零部件化、轻量化、安全可靠性和低成本化 • 系统安全是产品最高优先级特性，关系到消费者人身财产安全
3
安全设计闭环
要耐用 要安全
要漂亮
客户声音
满足产品要求
使用
使用安全
解读客户声音： 安全性、舒适 性、耐久性…
需求分 析和定
义
满足功能集成要求
电气安全 机械安全 化学安全 使用寿命 电性能 …
系统和零 部件设计
生产 准备
产品设计验证
生产
安全生产实施
生产 规划
生产安全建设
生产安全策划
测试
• 安全设计要在产品开发最早阶段开始策划 • 安全设计要贯穿设计、制造、用户使用环节，形成闭环的产品开发体系
警惕电动车电池安全问题
数据引用2019年8月18日《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》
• 2019年5月-8月共计79起事故，乘用车占比65%。静置状态自燃占比40%， 事故分类中电池问题占比58%，电池安全性水平对车辆安全至关重要 ！
2
电池系统集成关键目标
少零部件化
♦标准化 ♦模块化 ♦多功能化
• 围绕危险三角形（危险元素、触发机制、对象/威胁），构建可靠的危险 致因因素模型，实现系统安全核心过程，进行安全设计
5
电池系统机械结构可靠性设计
• 兼顾轻量化和结构强度，平衡系统性能和机械可靠性
6
系统关键零部件的集成化
• 液冷系统由分体式向一体式发展，减少接头漏液风险、降低成本 、减轻重量、优化安装工艺
要求 • 风险处置
优先级
降低风险
• 实施安全 要求
• 再次评价 风险
• 风险降低 到可接受 水平
验证措施
• 风险降低 的确认与 验证
• 试验/分析 • 审查/建模 • 问题评价
审查风险
• 提交风险 • 接受剩余
风险
跟踪风险
• 建立风险 跟踪机制
• 建立风险 措施记录
• 收集信息 • 风险预防
闭环
• 模拟和验证电池系统运行工况，分解指安全标到各零部件，进行零部件的 精准设计和可靠性设计
有弊
• 热扩散&热失控防护技术与电池能量发展需要同步
12
热扩散&热失控防护技术
泡棉或其他隔 热/导热（相 变）材料
软包电池模组内热扩散措施 软包电池间安装隔热/导热材料
PACK箱体热扩散措施——防爆泄压阀 防爆泄压阀保证箱体及时泄压
软包电池之间主动热管理
PACK箱体热扩散措施——防火墙 热失控发生时对模组进行阻隔，减少对其他模组影响
模组热失 控防控
PACK热 失控防控
• 结合法规要求及热失控现象，电池系统至少要具备四个层级的防控措施
10
热扩散&热失控防护技术
热失控预警
小模组区域防火
烟气疏导通道
主动热管理 电芯层级隔热/导热措施
IP67密封
防爆阀 钣金箱体
低能量密度
低容量单体
非金属上盖
大模组（多串/并）
高能量密度
高容量单体
有利
烟气喷射导向装置，保护行人、乘客安全
PACK箱体热扩散措施——钣金上盖 钣金上盖耐高温性能更优
• 防护技术关键词：隔热、阻隔、耐高温、防爆、泄压
11
电池整包热扩散试验案例
整包热扩散试验（模组内无防护）
热失控触发阶段
目标模组热失控扩展阶段
整包模组热失控扩展阶段
热失控触发，浓烟从防爆阀喷出
目标模组热失控扩展，浓烟从防爆阀喷出 整包模组热失控扩展，浓烟从防爆阀喷出
7
热扩散&热失控法规
法规标准
现行法规
即将发布法规
8
热失控-热量来源
• 实际在IP67的箱体中，空气中氧气量相对较少，即使热失控发生燃烧，其 燃烧过程相对较短，所以热失控放热主要由负极、正极体系反应放热产生
• 体系热失控放热量主要由负极、正极和电解液产热构成
9
热扩散&热失控防空层级
热失控预警
单体热失 控防控
14
总结
1.可靠安全是软包电池系统设计的核心。 2.软包电池在组成模块后，与方形电池一样需要遵循系统安全 设计原则。 3. 从结构设计、仿真安全、热失控防护技术以及不同场景的滥 用测试，来充分保障安全设计的可靠性。
15
电芯之间隔热/导热（减少热量传递）
措施 无隔热 1.1mm隔热 液冷板 2mm隔热
热失控时间（s） 1199 1009 723 951
热扩散时间（s） 1221 1126 963 /
时间间隔（s） 22 117 240 /
备注 未发生热扩散
• 科学的系统防护设计可以延缓或抑制电池热失控的发生，为驾乘人员提供 安全保障或足够的逃生时间
4
电池系统安全风险消减流程
安全计划
• 制定系统 安全大纲
• 系统安全 大纲归档
• 系统安全 大纲计划
• 系统安全 管理计划
风险识别
• 历史信息 • 风险分析
方法 • 分析风险
致因因素 • 风险分析
风险评价
• 制定风险 评价标准
• 评价风险 致因因素
• 确定事故 风险
确定措施
• 规则/指南 • 消减方法 • 系统安全
直冷系统、高效热管理一体化系统
具有一下优势：
1. 结构单一，控制策略简单；
Байду номын сангаас
2. 更低冷却温度，更高散热能力
3. 响应速度更快，效率更高
• 电压、温度采样集成逐步由PCB+FFC集成发展为FPC一体化成型， 4. 制冷剂无毒不可燃，泄露无危险
减少物料种类，减少安装不良风险
5. 更加节能；
• 关键零部件的集成化趋势可以有助于降低安全风险
♦碰撞安全性 ♦整车一体化 ♦热失控防护
01
02
电池系统集成关键 目标
04
轻量化
♦拓扑优化工具 ♦高强度材料使用
03
低成本
♦原料成本 ♦使用成本 ♦运输和装配
• 系统目标：少零部件化、轻量化、安全可靠性和低成本化 • 系统安全是产品最高优先级特性，关系到消费者人身财产安全
3
安全设计闭环
要耐用 要安全
要漂亮
客户声音
满足产品要求
使用
使用安全
解读客户声音： 安全性、舒适 性、耐久性…
需求分 析和定
义
满足功能集成要求
电气安全 机械安全 化学安全 使用寿命 电性能 …
系统和零 部件设计
生产 准备
产品设计验证
生产
安全生产实施
生产 规划
生产安全建设
生产安全策划
测试
• 安全设计要在产品开发最早阶段开始策划 • 安全设计要贯穿设计、制造、用户使用环节，形成闭环的产品开发体系
警惕电动车电池安全问题
数据引用2019年8月18日《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》
• 2019年5月-8月共计79起事故，乘用车占比65%。静置状态自燃占比40%， 事故分类中电池问题占比58%，电池安全性水平对车辆安全至关重要 ！
2
电池系统集成关键目标
少零部件化
♦标准化 ♦模块化 ♦多功能化
• 围绕危险三角形（危险元素、触发机制、对象/威胁），构建可靠的危险 致因因素模型，实现系统安全核心过程，进行安全设计
5
电池系统机械结构可靠性设计
• 兼顾轻量化和结构强度，平衡系统性能和机械可靠性
6
系统关键零部件的集成化
• 液冷系统由分体式向一体式发展，减少接头漏液风险、降低成本 、减轻重量、优化安装工艺
要求 • 风险处置
优先级
降低风险
• 实施安全 要求
• 再次评价 风险
• 风险降低 到可接受 水平
验证措施
• 风险降低 的确认与 验证
• 试验/分析 • 审查/建模 • 问题评价
审查风险
• 提交风险 • 接受剩余
风险
跟踪风险
• 建立风险 跟踪机制
• 建立风险 措施记录
• 收集信息 • 风险预防
闭环
• 模拟和验证电池系统运行工况，分解指安全标到各零部件，进行零部件的 精准设计和可靠性设计
有弊
• 热扩散&热失控防护技术与电池能量发展需要同步
12
热扩散&热失控防护技术
泡棉或其他隔 热/导热（相 变）材料
软包电池模组内热扩散措施 软包电池间安装隔热/导热材料
PACK箱体热扩散措施——防爆泄压阀 防爆泄压阀保证箱体及时泄压
软包电池之间主动热管理
PACK箱体热扩散措施——防火墙 热失控发生时对模组进行阻隔，减少对其他模组影响
模组热失 控防控
PACK热 失控防控
• 结合法规要求及热失控现象，电池系统至少要具备四个层级的防控措施
10
热扩散&热失控防护技术
热失控预警
小模组区域防火
烟气疏导通道
主动热管理 电芯层级隔热/导热措施
IP67密封
防爆阀 钣金箱体
低能量密度
低容量单体
非金属上盖
大模组（多串/并）
高能量密度
高容量单体
有利
烟气喷射导向装置，保护行人、乘客安全
PACK箱体热扩散措施——钣金上盖 钣金上盖耐高温性能更优
• 防护技术关键词：隔热、阻隔、耐高温、防爆、泄压
11
电池整包热扩散试验案例
整包热扩散试验（模组内无防护）
热失控触发阶段
目标模组热失控扩展阶段
整包模组热失控扩展阶段
热失控触发，浓烟从防爆阀喷出
目标模组热失控扩展，浓烟从防爆阀喷出 整包模组热失控扩展，浓烟从防爆阀喷出
7
热扩散&热失控法规
法规标准
现行法规
即将发布法规
8
热失控-热量来源
• 实际在IP67的箱体中，空气中氧气量相对较少，即使热失控发生燃烧，其 燃烧过程相对较短，所以热失控放热主要由负极、正极体系反应放热产生
• 体系热失控放热量主要由负极、正极和电解液产热构成
9
热扩散&热失控防空层级
热失控预警
单体热失 控防控
14
总结
1.可靠安全是软包电池系统设计的核心。 2.软包电池在组成模块后，与方形电池一样需要遵循系统安全 设计原则。 3. 从结构设计、仿真安全、热失控防护技术以及不同场景的滥 用测试，来充分保障安全设计的可靠性。
15
电芯之间隔热/导热（减少热量传递）
措施 无隔热 1.1mm隔热 液冷板 2mm隔热
热失控时间（s） 1199 1009 723 951
热扩散时间（s） 1221 1126 963 /
时间间隔（s） 22 117 240 /
备注 未发生热扩散
• 科学的系统防护设计可以延缓或抑制电池热失控的发生，为驾乘人员提供 安全保障或足够的逃生时间
4
电池系统安全风险消减流程
安全计划
• 制定系统 安全大纲
• 系统安全 大纲归档
• 系统安全 大纲计划
• 系统安全 管理计划
风险识别
• 历史信息 • 风险分析
方法 • 分析风险
致因因素 • 风险分析
风险评价
• 制定风险 评价标准
• 评价风险 致因因素
• 确定事故 风险
确定措施
• 规则/指南 • 消减方法 • 系统安全
直冷系统、高效热管理一体化系统
具有一下优势：
1. 结构单一，控制策略简单；
Байду номын сангаас
2. 更低冷却温度，更高散热能力
3. 响应速度更快，效率更高
• 电压、温度采样集成逐步由PCB+FFC集成发展为FPC一体化成型， 4. 制冷剂无毒不可燃，泄露无危险
减少物料种类，减少安装不良风险
5. 更加节能；
• 关键零部件的集成化趋势可以有助于降低安全风险