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电池起火的原因你知道是什么吗?

来源:宝鄂实业    2019-07-31 20:33    点击量:
对于电池安全,国际上有对于锂离子电池的安全的标准比如ISO、IEC、SAE、IEEE、UL、USABC 、UN38.3等,这些标准规定了锂电池运输认证试验的各项标准。锂离子电池必须在一组电气、热力和机械参数的安全操作区域内使用。那么当离开这个安全区域或当电芯内部缺陷出现故障时,某些机制可以启动电化学效应,导致电芯故障或潜在的危险事件。
 
那么如何分析电芯失效呢?我们采用故障模式与影响分析(FMEA)和故障树分析(FTA)方法进行了电池系统级别的故障分析和试验设计,分析了电芯内部短路的行为及其对电芯系统和车辆的影响。必须考虑到一点的是,电池安全并不意味着系统级别的电池安全。对电芯本身有良性影响的电芯失效机制在系统层面上可能无意中变得危险。单个电池的故障导致了一辆电动货运三轮车的灾难性故障。在这里,我们列出了FMEA和FTA以及补充的实践实验如何分析系统自下而上和自上而下,以将基本故障机制与不希望出现的端部效应联系起来,以及随后衍生的缓解方法,以提高电池的安全性。
02
火灾事故
在现场操作中观察到两起车辆火灾事件,均发生在电芯充电过程中。汽车电芯由8个串联的3.6 V 100 Ah LFP电池组成。LFP电池一般认为是相对安全的,因为根据安全测试证明,即使在最不利的条件下,如内部或外部短路、过充或机械损坏,电池也不会燃烧或爆炸。单元排列成两块四个单元。每个电池都配备了一块印刷电路板(PCB),用于在充电过程结束时进行平衡时的电压控制和电流旁路。该打印件固定在正负极上,并直接置于电池的超压通风口上方。电池块由阻燃的ABS盖保护。
 
03
检查和故障分析
LCO(左)和LFP(右)电池的典型特征
对失效电池的检查表明,八个电池中的一个总是被完全摧毁。对车辆日志文件、充电器和电池电子设备的分析表明,电池在安全范围内工作,即3.0 V至3.8 V之间,充电电流为25 A,放电电流低于3 C(300 A)。然而,对充电过程的监测显示,在恒流恒压(CC-CV)序列对电芯进行完全充电后,充电并没有完全中断。充满电的电池持续保持在3.7V的电压下,之后电池进行浮充。浮充对于锂离子电池可导致电解质氧化、阴极材料的化学降解和阳极处锂的电镀,最终导致电池内部短路。随后,内部短路将启动电池的热失控和排气。然而,内部短路也可能由于制造相关的原因,如金属污染物或隔膜故障而发生。
 
因此,根据第一次检查和故障分析,假设电池内部短路(无论出于何种原因)是火灾事件的开始。 
04
FMEA和FTA方法分析
失效模式影响分析(FMEA)从识别关键项目的可能失效模式开始。在我们的例子中,关键项目是一个单元,而相关的故障模式是内部短路
 
IEC 60812的FMEA工作流程
 
另一方面,电池失控、安全阀排气和假定故障树分析(FTA)的释放是从内部反应产生的可燃气体开始的。但是,与最终效应顶事件车辆火灾相关的链接缺失,这必须与系统级车辆火灾中的基本故障事件相关。FTA需要系统识别:
 
可能导致顶级事件的所有事件或效果组合。因此,我们正在寻找与内部短路和导致车辆火灾相结合的其他事件。
 
这两种方法都意味着,如果在热失控的情况下,电池释放出可燃气体,只需要某种火源就可以起火。从LFP电池的材料安全数据表中可以看出电解质的组成。它由易燃有机溶剂的混合物组成,例如碳酸乙烯酯(EC)(沸点243°C)、碳酸二乙酯(DEC)(127°C)、碳酸二甲酯(DMC)(90°C)和乙酸乙酯(EA)(77°C)。
实验
需要一个点火源来引火的事实可能是微不足道的。然而,即使失效分析的结果和FMEA和FTA方法的结果也不能直接揭示这一来源。
 
因此,为了重建从基本事件到最终效应的整个过程,定义了单电池和整车的实际热失控实验。
 
5.1单体内部短路
 
电池的内部短路和热失控可以通过金属钉的穿透来激活,这也是许多安全评估测试的一部分。用装有温度传感器的充满电的电池进行穿透试验。
 
5.2结果
 
渗透几秒钟后,防爆压阀打开,大量浓烟以明显的高压释放。烟雾释放持续约7分钟,压力逐渐下降。正负螺丝处的温度穿透几秒钟后,超压阀打开并大量浓烟在高压下释放。这种烟雾释放持续了大约7分钟压力逐渐降低。电池正负螺纹端子的温度上升到300°C。但是没有火灾或爆炸发生。在电池顶部观察到电解质沉淀。
电芯穿透试验
 
5.3车内电池内部短路
 
在装备齐全的车辆上对电池进行了进一步的试验。这意味着每个单元有两个模块,每个单元有四个单元,每个单元有用于电压和电荷控制的印刷电路板电子设备和阻燃的ABS盖插入车辆中。所有其他零件和盖也安装了,以获得真正的车辆状况。温度传感器被放置在电池组周围的临界点。然后在左侧块的中心位置的一个单元中激活热失控。
 
5.4结果
 
钉入电芯侧面后观察到浓烟,热失控时电池周围的温度上升到约200°C。大约8分钟后,第一个火焰可见,12分钟后,车辆燃烧。用标准泡沫灭火器灭火,再次燃烧起来,最终熄灭。火灾导致温度超过600°C。随后的检查表明,单个电池上面的印刷电路板完全碳化。此外,到电池正负极的印刷电路板触点仍然由邻近的电芯。进一步的实验表明,在电路板碳化过程中产生了电火花,从而确定了点火源。
热失控时电池的温度
穿钉试验后的温度(传感器6在高于800°C的点火后不久失效)
 
钉子穿透8分钟后火焰蔓延,箭头指向穿透的钉子
 
因此,我们发现了从基本事件到最终效应的链条:一个电池内部短路、热失控、电池内压力增大、超压阀排气、电池盖下的热烟和易燃烟释放、电池PCB碳化、电池阀上的PCB发生电火花、烟雾点燃、火灾、车内。