草 稿

我们一直在行动

TÜV南德意志集团关于锂离子电池针刺及滥用测试结果的一致性调查

  1. 背景

    在过去的几十年间,各规管部门和标准制定组织始终致力于制定替代能源车辆所使用的电池,以及其他电气组件的相关标准。然而,人们在工作中不断发现某些测试方法存在着缺陷和缺点,同时发现可以通过某种方式来改进测试方法,从而能够更好地评估车辆动力系统的安全性。

  2. 行动

    自从2010年以来,TÜV南德意志集团针对一千多个电池样本进行了测试,其中包括滥用测试,测试在超过正常车辆使用条件的情况下,电池、电池模块和蓄电池的反应状态。该测试的结果提供了重要数据,这些数据将会有助于改善建议的测试实践方法和程序。

  3. 专家简介

    Erik J. Spek 是TÜV南德意志集团加拿大公司的总工程师,主要负责北美洲的电池认证服务。他曾获得加拿大安大略省滑铁卢大学的机械工程学位,其中包括机械工程专业应用理学学士学位和金属疲劳测试专业应用理学硕士学位。

  4. 当前电池标准的缺陷

    现今,消费者普遍期望在经销商展厅中出售的现代内燃机汽车的安全性能够得到保证,并且能够符合相关标准。然而,当涉及混合动力、插电式混合动力以及电池动力等替代动力技术的汽车时,就可能无法达到上述的预期。

     

    内燃机汽车的标准已经存在长达100多年之久,按照该标准可以确保内燃机汽车的安全性达标。然而,这些标准必须修改并扩充,增加额外要求,用来解决替代能源汽车中电压值提升以及储存大量电能产生的安全风险问题。适当更新标准可以确保在汽车开发的设计阶段就解决这些需要考虑的特定安全问题。

  5. 我们在行动

    在过去的几十年中,各规管部门和标准制定组织通力协作,针对电池和其他汽车电力组件制定了多种相关标准。尽管人们已经做了很多开拓性的工作,仍然还有很多问题亟需解决,确保上述标准和要求具有有效性,与其他汽车要求一致,且针对所有制造商普遍适用。此外,标准的有效性取决于测试方法,通过测试方法可以验证最终产品是否能够满足该标准要求。

     

    在这方面,TÜV南德意志集团等第三方测试组织处于测试方法开发的第一线。这些组织通常是首要信息来源,通过他们可以了解某些测试的缺陷和缺点,以及如何通过某种方式改进测试方法,从而能更好地评估车辆动力系统的安全性。

  6. 开发安全产品的关键——滥用测试

    人们通过滥用测试来检测电池、电池模块和蓄电池在超过正常车辆使用情况下的反应状态。这些滥用测试获得的信息可以用于分析产品设计或者设计验证程序。滥用测试对于锂离子电池产品尤其重要,因为这些产品在汽车应用中仍然相对较新,尚没有建立在多年使用及多种条件下安全运行的跟踪记录。

     

    TÜV南德意志集团针对汽车应用中的锂离子电池普遍采用的滥用测试是针刺测试,关于针刺测试的详细内容见美国汽车工程师学会(SAE) J2464标准“电动汽车和混合动力汽车充电能源储存系统(RESS)安全滥用测试程序”4.3.3节。然而,该标准中的针刺测试参数使人们对于如何采用适当的测试方法(尤其是大型安培小时以及软包电池)产生争议。

     

    TÜV南德意志集团作为积极推动电动车产业发展的重要组成部分,自从2010年以来就持续改善测试方法,从而进一步改善针刺测试。TÜV南德意志集团采用标准方法针对680多个大型锂电池开展了滥用测试,目前拥有有效且可重复的流程来支持快速的电池开发和验证测试。

  7. 如何设计有意义针刺测试方法

    附表列出了电池针刺的参数,详细内容见美国汽车工程师学会(SAE)J2464。其他数值用于模块和蓄电池。

  8. 电池测试实验

    TÜV南德意志集团针刺实验主要测试了硬壳和方形(软包)电池。TÜV南德意志集团针对针刺测试采用的第一个装置是汽缸(附图),针速设定为100厘米/秒。这一较高值用于确保刺针在穿过12毫米厚的电池时的实际速度高于8厘米/秒的额定最低值。(注意,采用可与实际路面速度比较的相对较低速度值,主要因为车辆中安装的裸电池被包裹在一个包裹结构中,保护电池免于受到飞溅物体的冲击。)

     

    以低速度值针对没有保护和易受损坏电池进行该测试的目的主要是测量电池的相对反应。设计者可以利用这一测试信息来评估电池技术的相对安全问题,并且决定在电池包设计中需要考虑哪些因素,以此保护电池免于遭受汽车产生的潜在过高滥用负载的影响。由于气压缸产生的力量达到了1.5千牛,因此针刺12毫米的电池时的速度不可能低于8厘米/秒。尽管采用这一方式测试了大量电池,但是该测试结果与电池供应商提供的针刺数据仍然无法一一对应。

     

    为了解决TÜV南德意志集团测试数据与供应商数据之间的差异,在其他成功测试的基础上,为表一中名为“无数值”的多项特征添加了数值。已经被添加初始数值的名为“无值”特征包括:针表面修饰、包括角度和表面修饰的点、“钢”中的材料选项、针的平直度以及垂直度、电池预加载以及电池限制方法。

     

    在这些测试方法的改良中,测试了附加电池的阴极、阳极化学特性和容量。同时,露天针刺率从100厘米/秒减少到最低8厘米/秒,以符合电池供应商的针刺速度。通过在TÜV南德意志集团实验室以及选择的电池供应商实验室实施上述测试方法变更,可以让供应商数据和TÜV南德意志集团的数据实现一致。

  9. 模块测试实验

    针对可能在模块中发现的较厚以及叠层锂离子电池针刺测试时,推动针的气动系统被液压驱动系统替换(附图)。液压系统能够输出45千牛的力,为针刺的速度、加速和深度提供精确控制。尽管这一强化系统被用于测试大量电池,但相同参数条件下由液压系统和气动系统运行产生的结果却产生了差异。

  10. 方法差异

    经过我们多番努力,最终确定这些方法之间的区别。本次调查包括电池区域(包括托板和电池箱、被测器件(DUT)到托板的电气隔离和接地路径)中的钉刺几何形状、环境振动,测试温度分析、DUT安装特性(通过DUT拖曳的安装误差和电位)以及测试操作员培训。鉴于本次调查的结果,可识差异的影响已被消除或被降低到最低。然而,尽管通过测试同系化的努力,装备电池的液压系统的所得结果仍然与空气驱动系统所产生的结果大相径庭。

     

    我们进行了后续的分析,以验证空气系统和液压系统的速度。本次分析涵盖了液压缸的集成线性可变差动变压器(LVDT)输出、空气和液压系统的线性电位器、独立LVDT和光敏感速度感应区的测量。这些独立的测量产生了一致的速度结果。

     

    线性电位器也被用来评估空气系统中的电池阻力所产生的任何“减速”影响。该评估表明,按照初始的8厘米/秒设定,由于钉刺部分穿透到电池厚层,实际的速度被降低至5厘米/秒。

     

    为了将观察到的实际值提高至>8厘米/秒的规格,气缸系统的初始速度在循环过程中,必须依靠大量电池予以提高,因此这项评估在电池数量不足的情况下无法完成。

     

    通过这一发现,我们决定从气缸系统切换到液压系统,因为与气缸系统的“通气”速度相比,液压系统对电池厚度的敏感度可忽略不计。这说明就袋装电池而言,钉刺测试在液压驱动系统上将产生更为一致的测试结果。此外,TÜV南德意志集团进行的本项和其他测试表明,按低于8厘米/秒进行的钉刺测试可能会产生误导性的结果。因此,电池开发人员应注重评估钉刺速度的测试结果敏感性。

     

    值得注意的是,大多数经过专业设计的电池组内部几乎没有敞口容积,因此可以更有利地对钉刺测试作出反应。然而,TÜV南德意志集团在德国加兴(Garching)的另一所电池测试实验室进行了类似的测试,提出了电池阳极在某些条件下会释放石墨或碳粉,从而存在提高整体风险水平的可能性。

  11. 从滥用测试得到的其他发现

    电池滥用测试的另一个重要方面在于电池对针刺测试的实际反应。通常情况下,电池反应的危害性等级(HSL)分为0到7级,其中0表示该电池没有受到测试影响、并且没有出现任何功能性损失,而7则表示在测试条件下突然爆炸的电池,从而可能产生飞溅碎片并对相邻地区造成破坏。小于3 HSL等级的电池表示反应仅限于电池功能性损失但无漏电或排气的电池。附表提供了这八项HSL等级的完整描述。

  12. 近三年来的HSL变化趋势

    除锂离子电池滥用测试的改进方法之外,TÜV南德意志集团在过去三年中的测试也积累了关于电池滥用测试的HSL重要数据。该数据的评估揭示了以下初步结论:

     

    1. 通常情况下,锂离子电池对滥用的抗性逐渐增强。过去三年中,大量HSL得分低于或等于3的电池在进行滥用测试时已充分证明了这一点。

     

    2. 充电状态(SOC)低于70%的电池在滥用测试的条件下,更容易得到小于3的HSL得分。这一结果有助于电池制造商使用更高的充电状态百分比(即90-100%),从而降低电池钉刺的风险。

     

    3. 在滥用测试条件下,100厘米/秒的钉刺速度往往会导致HSL等级3或更高级别的电池反应。这一发现表明电池组设计应足以保护电池在实际工作条件下免受高速射弹的重要性。

     

    这些调查结果同时表明,在实际使用条件下,锂电子电池的安全性问题,已经获得显著性的改善。与此同时,它们也标示着制造商可进一步研究的具体领域,这将加速锂离子电池的整体安全性能得到进一步改善。

  13. 结论:需要更加详细的规范

    如果每个电池和电池制造商及测试商都想单独制定出属于自己的滥用测试方法,则成本和开发期将会变得繁重而冗长。这就是为什么在本白皮书中描述的测试实验强调,在给定的规范中,要对建议的测试做法进行必要的评估和改善。我们希望,TÜV南德意志集团所进行、并在本白皮书中介绍的测试将能够有益于改善类似的测试过程。

     

    同时,对于为什么电池与这种滥用测试具有相同反应的问题仍然没有答案。TÜV南德意志集团在加拿大、德国和中国专注于材料科学的资深专业人士正在继续这方面的研究,并且为电池组件生产商、电池制造商、电池组装商、原始设备制造商和其他人士提供电池工程和算后检查分析方面的协助。

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