如何應(yīng)對電池可能存在的安全風(fēng)險

　　應(yīng)對電池可能存在的安全風(fēng)險，可以從四個層級、七個維度來考慮電池的安全，四個層級指電芯、模組、電池包、整車，七個維度包括可靠連接、高壓防護、機械擠壓、過充、布置形式、短路和熱失控，在每個維度跟層級都有對應(yīng)的防護措施，全方位有效的保護電池安全。廣東貝爾試驗設(shè)備有限公司（https://www.yqbell.com）

　　新能源汽車發(fā)生冒煙起火的場景一般為車輛靜置時充放電和車輛行駛中發(fā)生碰撞，下面我們基于鋰離子動力電池在機械擠壓這個維度來講解下目前開展的一般研究方法，探究整車碰撞中電池包的受力形態(tài)與損傷(失效、起火、爆炸)機理。

　　從卷芯到單體到模組再到電池包共4個層級，每個層級的研究又分為試驗和仿真兩個方面，通過不同加載方向、不同加載速度的試驗來研究卷芯、單體和模組的各向異性和應(yīng)變率效應(yīng)，以及加載方向和加載速度的不同給動力電池變形行為和失效行為帶來的影響，全面認(rèn)識動力電池在不同載荷工況下的響應(yīng)規(guī)律和內(nèi)在失效機理;借助對試驗結(jié)果的認(rèn)知，開發(fā)能夠表征其應(yīng)變率效應(yīng)、各向異性和失效行為的卷芯模型，并以卷芯模型為基礎(chǔ)，逐級向上開發(fā)兼顧仿真精度和計算效率的電池單體模型和模組模型，以試驗結(jié)果為參考對各仿真模型的仿真精度進(jìn)行驗證，為電動汽車電池包碰撞安全保護的開發(fā)提供虛擬仿真工具。

　　1)卷芯層級研究

　　卷芯是組成單體進(jìn)而構(gòu)成模組的基礎(chǔ)，也是電池包里面非常基本的電化學(xué)單元，了解卷芯的力學(xué)性能，及其力學(xué)失效和電化學(xué)失效之間的聯(lián)系，有助于深入認(rèn)識電池包在碰撞擠壓載荷下的響應(yīng)規(guī)律和失效機理。鋰離子電池的正極材料通常以鋁質(zhì)集流體為基底，涂布鈷酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)和磷酸鐵鋰(LiFePO4)等鋰離子活性物質(zhì)。負(fù)極材料通常以銅質(zhì)集流體為基底，涂布石墨或硅層。而隔膜則常為由聚乙烯或聚丙烯等材料制成的多孔薄膜。通過對卷芯中的正極復(fù)合體、鋁箔、隔膜、負(fù)極復(fù)合體、銅箔等進(jìn)行拉伸、壓縮、穿孔試驗，得到相應(yīng)材料的材料卡片，為卷芯的精細(xì)化建模搭好基礎(chǔ)。

　　2)單體層級研究

　　電池單體是向下集成卷芯、向上構(gòu)成模組的結(jié)構(gòu)，每一個單體都是一個可以獨立工作的電化學(xué)集合體。目前車用鋰離子動力電池單體，通常采用卷繞或疊片式卷芯(交替布置的正負(fù)電極和電極間的隔膜)和液態(tài)電解質(zhì)，用金屬外殼封裝成圓柱形(a)或方形硬殼電池(b)，或用鍍金屬塑料膜封裝為軟包電池(c)單體層級研究。

　　為了全面了解電池單體在碰撞擠壓載荷下的響應(yīng)規(guī)律和失效機理，研究同樣對單體進(jìn)行了不同加載方向和不同加載速度的擠壓試驗。

　　通過實驗，可以得到對應(yīng)的力-位移-電壓曲線，結(jié)合對樣件電鏡掃描結(jié)果，來研究響應(yīng)規(guī)律和失效機理，和建立了單體的有限元模型。

　　對于電池單體，我們通過多種方向和多種不同的加載速度的組合試驗對其力電響應(yīng)進(jìn)行了測試，可以發(fā)現(xiàn)，單體也有著明顯的各向異性和應(yīng)變率效應(yīng)。其次，單體的短路行為也具有明顯的各向異性，相比于Y向和X向，Z向是單體很容易發(fā)生短路失效的擠壓方向。借助對試驗結(jié)果的認(rèn)知，開發(fā)能夠表征其應(yīng)變率效應(yīng)、各向異性和失效行為且兼顧仿真精度和計算效率的單體模型。

　　3)模組層級研究

　　模組是將一個以上電池單體按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組合，并作為電源使用的組合體。其研究方法與單體基本一致，但由于其結(jié)構(gòu)比單體更加復(fù)雜多元，研究中需要考慮多種失效形式，包括單體之間的粘膠，殼體撕裂，端板斷裂的現(xiàn)象。

　　通過研究發(fā)現(xiàn)，相比單體內(nèi)短路(卷芯斷裂)壓降失效而言，模組試驗中更多的是由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或外部侵入而發(fā)生的外短路;由于藍(lán)膜、膠層和鋁合金在沖擊下韌性明顯下降，更易發(fā)生失效破壞，而這些失效形式是導(dǎo)致模組發(fā)生外短路的關(guān)鍵因素，進(jìn)而使得模組壓降對應(yīng)的力和位移的響應(yīng)在準(zhǔn)靜態(tài)和存在較大差異。

　　4)電池包層級研究

　　通過對鋰離子從卷芯到單體到模組的研究，對電池本身具備充分的了解，包括電池在沖擊下的變形和失效規(guī)律，內(nèi)部損傷發(fā)生的歷程和機理，在發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷前所能承受的載荷、變形、能量等的最大限度，以及損傷發(fā)生過程中機電熱的相互耦合和作用關(guān)系等?；诜抡婺Ｐ?，便可以開展多工況下電池包層級的研究與對標(biāo)工作。

　　在新能源汽車安全開發(fā)過程中，電池包作為更加復(fù)雜的系統(tǒng)，不同的試驗工況下，會有多種不同的失效形式，其產(chǎn)生的原因和所造成的危害也不盡相同。