9月9日晚8点,“盖世微课堂——汽车动力电池安全问题”正式开讲!盖世汽车特邀行业资深专家时代新能源科技有限公司产品安全部经理夏军开堂授课并解答微友疑问,同时,来自汽车电池及相关企业共358位人士在群内展开热烈讨论。
以下是课堂焦点内容速记汇总,与业内共享!
夏军:以下是我们收集的几个比较典型的案例,是与电动汽车直接相关的事故,大家都在新闻媒体上看到过。其中有两个案例造成伤亡,每一起案例都与电动汽车的动力电池直接相关。
在讲动力电池系统的安全分析与设计之前,我们要先讲一下产品安全的方法论。
一、产品安全的方法论
以下内容是国外的企业,关于安全设计的基本流程。这是一个完整的产品安全设计流程。
下面内容是目前国内的企业通常的做法。在产品开发之初,通常不会充分考虑产品可能存在的危害及可能发生的事故。在产品开发过程中,主要通过测试来发现一些问题。或者从客户端验证,比如产品发生的事故,然后再从事故中吸取教训,更改设计。这种开发方式的风险非常大,企业可能要花很多代价来做危机公关。
下面两张图是关于产品安全分析和设计的常用方法和技术
我们经常说产品安全是设计出来的,不是测试出来的。通常我们在产品开发的初期,要考虑产品可能发生的危险和事故。这时要做危险分析,界定可能发生的事故,做产品开发的需求定义。在产品总体方案和详细设计阶段,要考虑如何不让危险变成事故,需要做需求分解以及相应的设计方案。接下来还要做测试验证,检验产品设计方案是否有效。在以上基础上做安全评估,评估残余风险还有多大,是否可以接受。
下面的图是国外企业在产品安全方面的组织和运作方式。通常会在公司内部建立一个独立的安全规则和流程,类似于品质管理流程。也会建立一个独立的安全团队,专门从事安全的评估工作。还会对安全进行独立的第三方评估,主要是针对供应商的评估。
目前来讲,这种做法对国内的企业很难做到。企业的技术积累不够,组织运作方式还不规范,资源也不足。所以针对国内企业来讲,可能需要采取一种妥协折中的方法。如果没有独立的安全团队,通常要由产品的系统级工程师总抓产品安全,开发人员兼顾产品的安全分析和设计工作。如果不能详细分析产品可能发生的危害和事故,通常要以法律法规为基础,以已有的案例为借鉴,满足最基本的需求。在开发过程中,依靠工程经验,通常采用头脑风暴、和逻辑思维演绎的方法,来简化产品安全的分析过程。针对产品安全的分析工作,通常以定性的分析为主,经过长时间多项目的积累,逐步往定量的方向发展。
但是,我们总得往正规化,往规范的方向走,与国际接轨。向大家推荐一本书,如果您的工作与安全相关,建议您阅读这本书,系统的掌握安全的分析方法和技术,并且能够推动企业内部的积累。
二、动力电池系统安全分析
在做产品安全设计的时候,要搞清楚三个术语。危险(Hazard):事故发生之前的一种状态,当达到触发条件时,危险就会变成事故。事故(Mishap):导致人员伤亡,财产损失,环境破坏的意外事件。安全(Safety):阻止危险变成事故的机制或措施,将风险降低到可以接受的水平。做产品安全的目的:阻止危险变成事故,采取一种机制,将风险降到可以接受的水平。
举例:电池过充是种危险,事故是起火或者爆炸。中间的过渡过程,就是持续过充,电池达到某个温度点,事故发生。我们要做的安全机制或是措施就是做过充保护,切断危险到事故的过渡过程,同时要考虑过充保护失效的情况。基本原则:避免单点故障发生,切断危险向事故转移的路径,确保多点故障发生概率达到可接受水平。
接下来看动力电池系统可能产生哪些危险,以及这些危险是如何导致的。(上图)
当危险发生之后,如果达到一定触发条件,车辆就有可能发生事故。
上图和下图为动力电池包可能发生的危险和事故。
上图是电击的基本原理
上图和下图关于电池热失控的原理,因为时间原因,这里不再详述。
爆炸和燃烧是热失控的一种表现现象。很多人可能听说过磷酸铁锂电池比三元材料电池安全。主要原因是三元电极材料热分解的时候产生的热量高于磷酸铁锂,并产生氧气。
导致动力电池系统发生燃烧或爆炸的可能原因:
1 电芯的发热副反应导致热失控,引燃电解液,隔离膜和其他可燃物质
2 局部连接阻抗过大,导致温度上升,达到着火点温度,引燃动力电池包内部的可燃物质
3 动力电池包外部发生火灾或存在高温热源,导致动力电池包温度持续上升,达到着火点温度,引燃内部的可燃物质
上图是从顶层事故往下分析危险,并进而查找原因的基本分析思路。这只是一个图形化的演示,并不表示实际分析过程是这样简单执行的,实际分析过程是非常复杂和细致的。
三、动力电池系统安全设计
以上为我们防止电击,燃烧和爆炸等事故发生所采取的一些可行的措施。
我们在做产品安全设计的时候,通常采取几种有效的方法,第一种是预防,防止危险的发生。第二种是阻断危险往事故蔓延的过程。第三种是如果事故发生,如何降低事故造成的危害。
下图为一个安全设计的示例。
我们在做电击防护的时候,要考虑绝缘配合,如绝缘等级的确定,绝缘材料的选择,爬电距离和电气间隙的考虑,等电位的设计等。针对化学能的防护,我们要考虑化学稳定性,如电池单体在各种极端情况下的化学和热稳定性。可能还要考虑系统级的滥用防护。还需要采取一些阻燃措施,以及为防止爆炸而采用的泄压方法和手段。
上图为安全设计过程中一些常用的工程方法。
在安全的设计过程中,通常采取主动防护设计和被动防护设计相结合的方法,从而达到更好的安全防护效果。
设计工作也需要注意系统级防护和固件级防护相互结合,从而达到安全冗余设计和全覆盖。
四、动力电池系统相关国标
下面讲一讲与动力电池系统相关的我国的一些标准。这些标准基本上都在今年发布新的版本。主要有五个标准体系。
上图是新标准和旧标准的对比。
标准基本涵盖了针对电能、化学能、电磁能相关的防护。
国标必须认证研究并满足,这是事关企业生死的底线,即使在市场上出现了严重的事故,与客户/用户博弈时,这是一个相当重要的部分免责的法律依据,可以避免被动挨板子.
问题答疑环节:
1.如果电池箱和车架是隔离的,有没有有效的手段检测电池和电池箱的绝缘强度?
根据目前新国标GBT 18384.3-2015 6.3.1:的要求B级电压电气设备的外露可导电部分,包括外露可导电的遮拦和外壳,应按以下要求连接到电平台以保持电位均衡。
如果电池箱和车架进行隔离,BMS或整车绝缘监测系统将无法检测电池箱内部绝缘异常,再继续使用将导致更严重的二次故障。
2.一个关于等电位连接的问题:
目前在实际设计中,见过三种处理方式,一种是与车身地板直接用编织线连接;一种是与地板进行二次绝缘处理,这种大巴上用的比较多;还有一种是不做任何处理。
我的疑问是:
(1).前两种处理方式哪一种更合理?
(2).如果不做处理,究竟在实车当中,在什么情况下会发生危险?
建议用第一种编织线连接。等电位线需要大于等于高压功率回路的载流能力,同时电阻值小于0.1欧姆。等电位线锁紧位置的材料尽量同整车材料相当,确保电腐蚀的最小化
3.高压台架测试时需做哪些安全保护措施?
回复:主要指哪方面的高压台架测试,如果是模拟工况下的振动测试,首先是保障人员安全隔离高压测试区域,人员穿绝缘鞋、带绝缘手套产品状态监测:时刻监控产品振频是否偏移,电压、电流运行是否正常,如果出现任何异常需立即停止测试
4.高压安全测试规范和标准,依据是什么?高压安全考虑哪些因素?高压电路与线束安全保护策略是什么?
高压安全主要考虑:高压危险标识、绝缘、耐压、等电位、电气间隙和爬电距离、接触防护,以及绝缘监控,具体可参考GB/T 18384.1-2-3
高压安全测试规范和标准:高压危险标识、绝缘、耐压、等电位测试具体可参考GB/T 18384.1-2-3,绝缘监控可参考QC/T 897
高压电路与线束安全保护策略:绝缘、耐压、接触防护、固定防护、装配或使用过程中的干涉/磨损分析、增强/双重绝缘防护
高压系统测试时首先是保障人员安全:隔离高压测试区域,人员穿绝缘鞋、带绝缘手套
5.光伏如何和新能源汽车结合?
关于这个问题有两个案例可以借鉴。一个是特斯拉的光伏发电充电站,另一个是比亚迪大巴车顶上装了光伏板。
6.储能电池系统与车载动力电池系统有啥主要区别么?
所处的环境和工况完全不同。
7.对于以石蜡为主的相变材料电池热管理您怎么看?
石蜡材料,目前有研究,还没有看到应用
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