假如电动汽车热失控无法避免,我们如何增加逃生时间?

柳眉 / 泛商业 / 2个月前 /
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导读

        从电池问题展开来,动力电池就如传统燃油车的发动机一样成为纯电动汽车的核心部件。但近两年间,随着国内新能源汽车保有量逐年增加,涉及到动力电池的自燃、爆炸等问题频发,引发用户对纯电动汽车安全问题的担忧。2020年1-12月,国内有报道的电动车自燃事件达61起,且大部分与电池有关。因动力电池引发的安全问题被广泛关注。        事实上,自燃现象...

        从电池问题展开来,动力电池就如传统燃油车的发动机一样成为纯电动汽车的核心部件。但近两年间,随着国内新能源汽车保有量逐年增加,涉及到动力电池的自燃、爆炸等问题频发,引发用户对纯电动汽车安全问题的担忧。2020年1-12月,国内有报道的电动车自燃事件达61起,且大部分与电池有关。因动力电池引发的安全问题被广泛关注。

        事实上,自燃现象并不是纯电动汽车独有,传统燃油车也时常发生,频率甚至远高于电动车。2020年以来,新能源汽车年化火灾事故率是0.0026%。根据公安部有关部门公布的数据,传统燃油车的年火灾事故率约为0.01%~0.02%。但在自燃问题的关注度上,纯电动车却远远高过燃油车。

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       电池自燃爆炸实际上是一种电池“热失控”行为,也就是到达一定的温度之后就不可控了,温度直线上升,然后就会燃烧蔓延致其他电芯最终爆炸。而过热、过充、内短路、碰撞等是引发动力电池热失控的几个关键因素。

       热失控是锂离子电池使用中最为严重的安全事故,热失控往往是由于锂离子电池在发生了挤压变形、穿刺或者高温炙烤等导致隔膜被破坏引发正负极短路,或者由于电池外部短路,导致锂离子电池内部短时间内积累了大量热量,由此引发局部温度迅速升高,产生大量热量,出现自燃现象。又由于动力电池一般处在密闭空间内,为爆炸提供条件,因此,就出现了很多外界看到的电动车自燃爆炸现象。

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图片来源于网络新闻

       而事实上,造成锂离子动力电池热失控事故的触发原因很多,根据触发的特征,可以分为机械触发、电触发和热触发。3类触发形式具有一定的内在联系。一般地,机械触发会引发短路并造成电触发,而电触发产热造成了热触发,热触发造成的热失控是事故触发的核心。

       机械触发包括挤压、针刺、跌落等,主要特征是电池受力发生形变;电触发包括外短路、内短路、过充电、过放电等,主要特征是触发过程中存在电流流动;热触发包括异常加热、火焰加热等,主要特征是电池持续吸收环境中的热量而温度升高。

       而锂电池更为危险之处在于,出现失控后释放热量的速度极快,很难给车内人员足够逃生时间。根据了解,三元锂电池在热失控后,一分钟内可释放锂电池内部70%的热量,同时,单体电池形成的火焰又会向周围喷射,形成更大的过火面积,形成火灾,火焰最高温度可达800度。

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       在新能源汽车领域,锂离子电池由于具备相对较高的能量密度、输出功率等特点得到越来越广泛的应用。但锂离子电池的性能及寿命会随着不断地使用而衰减,更重要的是在不同的使用环境下会有不同的状况。比如在寒冷低温下容易出现比容量低、衰减严重等现象,高温下存在热失控导致自燃自爆的隐患。

       从热失控的触发间隔时间来说总体有一点波动,但是并没有明显的单调变化的规律,基本都是一节电芯。一开始一节电芯的充电电流是所有电芯公共分摊得来,但是随着热扩散的进行还存活的健康电芯越来越少。

       目前,绝大多数纯电动汽车搭载的仍是锂电池,虽然易燃易爆炸就是锂电池的一大特性。但三元锂电池依然是动力电池包的主流选择!

       车企为保证安全出尽奇招,部分电池包生产商会通过填充物实现隔离来防止热失控蔓延。隔离的目的是阻断传播,它包括电池包内的隔离,电池包外的隔离。电池包内的隔离包括利用纵横梁对模组进行隔离,利用耐火隔热材料填充进行隔离。根据分析可大致分为以下两种:

      一、这些结构要能够耐高温,导热率越低越好;同时,在各自区域的电池箱下壳体底部和侧面均设置有云母纸,要求耐温500-800℃高温,阻燃UL94V-0。

      二、采用耐火隔热材料,在动力电池包与车辆之间建立隔热屏障,延缓电池箱高温扩散至乘客舱。

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德耐隆改性耐火隔热毡耐火性测试

       被动防护的很大一部分工作是传递给零部件企业或材料企业,他们需要提供好的防爆产品和耐火隔热材料。动力电池包层面重要的工作则是构建一个有效的防护系统,将各种方案和技术配置一个最适合自己的设计。而广州市绿原环保材料有限公司研发的德耐隆改性耐火隔热毡成本更低效果更好的抑制热失控蔓延。

       德耐隆改性耐火隔热毡材料能在各种电子设备和汽车应用中脱颖而出,并且能应对大容量动力电池系统和其他部件的设计和生产的挑战,主要归功于以下特点:

       特性

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       技术指标

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       该产品由二氧化硅及陶瓷纤维毡复合制备而成,产品内部具有纳米级 空隙可以减慢热传导,提供最低的热传导值,抗热冲击性优异。该纤维毡能够在压缩70%后完全回弹,能够承受自身重量的数千倍的重压而不发生碎裂,过千次压缩循环测试后仍具有很好的回弹性。更重要的是,这种纳米氧化硅纤维毡能够在1500℃丁烷火焰和液氮中保持良好的柔性,长期使用温度为1200℃。高温下稳定性好,不脆裂。可作为高温隔热密封垫,阻隔热短路,熔融金属处密封垫,隔离(防烧结)材料领域。

       基于相变材料的抑制电池组高温热失控而填充制备了热响应、超强、超薄(1 mm)的柔性德耐隆改性耐火隔热毡复合材料,用于分级抑制电芯之间热失控蔓延。改性耐火隔热毡中的改性材料在正常条件下具有可靠的导热性,在高温下具有较高的热灵敏度。热失控产生后随着电芯的高温会引起德耐隆改性耐火隔热毡的汽化,伴随吸收大量的热量,并释放大量的灭火剂。改性材料释放后剩余的德耐隆改性耐火隔热毡,具有超低的热导率小于(0.02W/m.k),可以继续阻止热量电芯之间传递,在一定程度上抑制系统级的热失控。因此,带有这种改性耐火隔热毡的电池组在正常工作温度下显能够正常热管理,并且在异常条件下具有很高的阻断热失控的能力。此外,它具有可批量化生产、加工性能好、触发温度可调等特点,可用于制造一系列先进、安全、耐用的改性耐火隔热毡。其应用领域甚至可以扩充到有关应急材料、空间探测和消防设备等。

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       今年7月,长城也推出宣称能不起火、不爆炸的大禹电池。大禹电池以811高镍电芯为基础,通过热源隔断、热流分配、定向排爆、高温绝缘等设计理念,以“疏导”的方式降低起火概率。

       而没有改变技术路径的车企,也在最大程度为车上人员提供安全的逃生时间,例如某德国品牌就是通过提升大众内部安全要求,保障在热失控出现十分钟内不起火、不爆炸,为驾乘人员提供足够的逃生时间。

       为了实现热失控蔓延的延迟或者阻断提高人员逃生时间,也可以通过蜂窝式单独腔体结构或仿熔断器的镍带设计等方式来防止热失控蔓延,这是目前比较常用的解决方案。考虑到成本和电池包体积重量问题和需要主动性抑制电芯与电芯间的热传递,我们需要一种更轻薄更高效的材料介入。在电芯与电芯之间的热传递过程中,热触发的德耐隆改性耐火隔热毡会被释放,材料本身的超低热导率及良好的柔性和1500℃以上的高耐温等级使其有效地抑制隔断温度的传递,从而抑制了电池组件的着火蔓延增加了车内人员逃生的时间。

       不难看出,车企和动力电池生产商正在尝试通过不同技术路径,最大程度地保障电池安全。与此同时,未来全新的电池技术也在被寄予厚望。

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