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NHTSA:动力电池碰撞失效测试新方法

新能源Leader | 聚焦新能源汽车行业前沿科技 2019/07/16 10:35

动力电池安全是电动汽车发展的基础,牺牲安全的电动汽车发展无疑是自掘坟墓。电池内短路是电池安全失效的一个主要原因,其中动力电池在运输或者服役使用中可能受到的异常机械力用是诱发内短路的一个常见因素。目前对单个电池机械变形后是如何引发内短路的机理并不清楚,并且更让人困惑的是并不是所有的内短路都会导致电池发生热失控,因此亟需建立一个更完善的电池内短路失效评判标准。目前引发内短路常用的手段有:1.在新鲜电池中放置异物引发内短路;2.针刺和机械压痕引发内短路;3.机械挤压和扭转引发电池内部微短路。以上方法虽然能有效评价电池安全性能,区分电池安全设计差异,但是并不能很好模拟电池内部微短路过程。

最近,美国国家高速公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration,NHTSA)发布了一份题为Crashworthiness Models For Automotive Batteries的报告,通过实验测试和有限元分析方法确定电池组件的机械性能。报告中研究对象为Ford Focus电动汽车中的软包电池和日产Leaf软包电池模组。该研究最大的创新在于利用可变形的黏土作为电芯受力支撑基底,模拟软包电芯在模组中受力挤压变形情况。该方法不仅可以用单个电芯模拟模组挤压失效分析,还有效降低实验电芯需求量和失效猛烈程度。另外,由于隔膜是电池安全设计中最关键的一个组件,本实验单独研究了隔膜失效时的应力分布。测试结果表明隔膜力学性能具有各向异性,垂直于隔膜成孔拉伸方向的更易开裂。

图文浅析:

新知达人, NHTSA:动力电池碰撞失效测试新方法

图1. 模拟电池在模组中变形的实验装置:(a)10个软包电池半模组用铝板固定进行圆球挤压测试;(b)将一个软包电池置于黏土箱盒中进行圆球挤压测试。

为模拟电池在模组中的变形情况,作者对比了两种电池挤压形式。图1a将10个软包电池半模组固定在两个铝板之间,铝板用螺栓固定。上方铝板中间有一个圆孔以便刚性球形挤压头挤压电芯。图1b是本研究的最大创新之处,作者在铝合金方盒中填充黏土,黏土厚度约为10个软包电芯厚度,铝合金箱体用于承受黏土重量和挤压机压力。一个软包电池置于方盒内最顶部,方盒顶部开孔以便于圆球挤压。使用可变形的黏土作为支撑材料不仅可以模拟模组中剩余电池,还能减少测试电芯用量,避免模组的猛烈失效所造成的潜在安全风险。

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图2. 测试接线示意图。

对于图1a所示的圆球挤压形式,作者设置了如图2所示的连接线路以检测电池挤压变形过程电压、力参数变化。值得指出的为了尽可能降低电池热失控可能带来的风险问题,测试电池荷电量不高,只要电压变化能显示电池发生了内短路即可。

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图3. 10个软包电池半模组圆球挤压结果。

作者首先对10个软包电池半模组进行了圆球挤压测试,共测试了3个模组,结果如图3所示。可以看到被监测的两电芯电压几乎同步下降,或者电芯2电压下降略滞后。需要注意的是,当电芯1电压下降时,挤压力并没有开始下降,仅在电池2电压下降时能观察到挤压力斜率出现变化。这与使用刚性支撑材料挤压电芯时电压与挤压力几乎同时下降不同,表明在实际模组中,电芯机械失效前已经出现内短路。

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图4. 软包电芯置于黏土支撑体上时球形挤压头挤压失效结果。

随着,作者将单个软包电池置于黏土方盒中进行圆球挤压。如图4所示,与10个软包电池构成的半模组挤压不同,将电芯置于黏土箱体进行球形挤压时电压下降的同时能观察到挤压力的斜率出现明显的变化,表明该方法能更有效模拟电芯在模组中的挤压内短路。

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图5. 10个软包电池半模组球形挤压和单个软包电池置于黏土箱盒中球形挤压对比。

如图5所示,作者测试了四种不同的黏土,发现单个软包电池置于黏土箱盒中球形挤压挤压力均低于半模组球形挤压的挤压力,这是由于黏土和软包电芯组刚度不同导致的。尽管黏土作为挤压支撑体与电芯组挤压结果数字上不相同,但变化趋势是相同的,表明用该方法能有效评估模组挤压失效关键参数。(注:报告中没有给出这两组测试结果定性关联分析方法,但逻辑上确实说的通。)

小结:

相比于电池电性能研究,电池安全研究还远未成熟,电池失效过程还远未认识清楚。当前电动汽车起火事故不时发生,但截至目前还未看到一份详尽的失效分析报告,起火原因也是众说纷纭猜测的因素居多。以上报告出自美国NHTSA部分,先不论该方法是否真的合理,至少国外的相关主管部门是在切实开展相关研究的。中国作为电动汽车推动大国,相关部门又在忙什么呢?

Crashworthiness Models For Automotive Batteries. A Report on the Department of Energy Project 2088-A031-15 for the National Highway Traffic Safety Administration.

文/弯月

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