提高鋰離子電池的安全性，就需要對(duì)鋰離子電池在擠壓試驗(yàn)中發(fā)生熱失控的機(jī)理，進(jìn)行深入的研究，從而對(duì)鋰離子電池進(jìn)行針對(duì)性的安全設(shè)計(jì)，從而提升鋰離子電池在擠壓試驗(yàn)中的安全性。

 

 

 

18650電池主要由三部分組成：安全閥、卷芯和低碳鋼外殼。安全閥通常由正溫度系數(shù)材料、鋁安全閥和不銹鋼正極端子、氣體密封墊等組成，電芯由正極、負(fù)極和隔膜組成，在本試驗(yàn)中正極的活性物質(zhì)的成分為L(zhǎng)iCoO2。軸向載荷的加載速度為5mm／min，所有的試驗(yàn)電池在試驗(yàn)之前都已經(jīng)完全放電（SOC＝0）。測(cè)試結(jié)果顯示，18650電池在軸向壓力測(cè)試中壓力呈現(xiàn)出緩慢上升——快速上升——輕微下降——快速上升的趨勢(shì)，而電壓測(cè)試顯示，18650電池在變形達(dá)到4mm的情況下才會(huì)發(fā)生失效，而且通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，18650電池的電壓突降主要是由于電池內(nèi)部短路造成的，而不是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷路。為了研究18650在軸向壓力下失效的機(jī)理，JunerZhu還利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了分析，模型中的材料主要采用了彈塑性模型，并且考慮了各種材料的各向異性的特點(diǎn)，模型中包涵了上百萬(wàn)的計(jì)算單元，軸向載荷的加載速度被設(shè)置為1m／s。仿真結(jié)果再現(xiàn)了在軸向載荷的情況下，18650電池變形的經(jīng)過(guò)。首先電池的上蓋區(qū)域的殼體開(kāi)始發(fā)生塑性變形，在變形程度超過(guò)1mm后，變形的外殼開(kāi)始擠壓電池卷芯的上部，隨著變形程度的增加，電芯開(kāi)始出現(xiàn)變形，從而在壓力曲線上出現(xiàn)了一個(gè)輕微的下降，然后隨著電池殼體與電芯的接觸面積的增加，使得壓力曲線呈現(xiàn)了一個(gè)快速上升的趨勢(shì)。CT掃描結(jié)果也很好的驗(yàn)證了上述分析，試驗(yàn)電池的變形主要發(fā)生在上部結(jié)構(gòu)中，電池下改幾乎沒(méi)有發(fā)生變形。

 

碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）金屬材料的疲勞破壞通常是沒(méi)有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，而復(fù)合材料中的增強(qiáng)物與基體的結(jié)合既能有效地傳載負(fù)荷，能阻止裂紋的擴(kuò)展，提高了氣瓶的斷裂韌性；2）復(fù)合材料中的大量增強(qiáng)纖維使得材料過(guò)載而少數(shù)纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配到未破壞的纖維上；3）復(fù)合材料氣瓶在受到撞擊或高速?zèng)_擊發(fā)生破壞時(shí)不會(huì)產(chǎn)生具有危險(xiǎn)性的碎片，從而減少對(duì)人員的傷害；4）無(wú)需特殊處理就能滿足耐腐蝕的要求。

 

儲(chǔ)氫罐保護(hù)：在儲(chǔ)氫罐本身足夠堅(jiān)固的前提下，還需要給高壓儲(chǔ)氫罐的足夠強(qiáng)度的固定支架和鋼帶，以保證在碰撞過(guò)程中，高壓儲(chǔ)氫罐的動(dòng)態(tài)位移不會(huì)太大，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。一般儲(chǔ)氫罐保護(hù)系統(tǒng)采用整體式設(shè)計(jì)，整個(gè)框架通過(guò)3根橫梁和2根縱梁將兩個(gè)氫氣罐集成到一個(gè)框架總成?？v梁截面為“Π”形，由幾塊板材拼焊而成，中部設(shè)計(jì)出兩個(gè)圓弧形凹槽，可以對(duì)氫氣罐進(jìn)行有效的固定和保護(hù)。

 

氫系統(tǒng)管路：由于系統(tǒng)高壓段壓力已達(dá)35MPa，同時(shí)在氫加注過(guò)程可能出現(xiàn)壓力沖高過(guò)程，因此在氫系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)中也必須進(jìn)行合適的選材。氫管路中大多采用316不銹鋼材質(zhì)的管路，有研究表明316不銹鋼在85℃，45MPa氫氣中的拉伸性能、低應(yīng)變速率拉伸性能、疲勞性能和勞裂紋擴(kuò)展性能與在惰性氣體和空氣中結(jié)果相似，即316不銹鋼在室溫下具有較好的抗氫脆性能。

 

燃?xì)夤茉O(shè)計(jì)：燃?xì)夤芘懦鰵錃獾姆较蚴琼樠榆嚨撞康那昂蠓较?，可以保護(hù)車艙內(nèi)不會(huì)被火焰殃及。這并不是新的設(shè)計(jì)，早在天然氣車產(chǎn)生之初，便通過(guò)嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)而產(chǎn)生的安全設(shè)計(jì)規(guī)范，已經(jīng)應(yīng)用很長(zhǎng)時(shí)間，安全可靠。

 

燃料電池整車：嚴(yán)格的性能測(cè)試與密切的氫氣監(jiān)控體系確保車輛運(yùn)行安全

 

多樣化的安全性測(cè)試能確保燃料電池汽車出廠時(shí)的安全性和一致性。除了保證車載氫氣系統(tǒng)安全性之外，相關(guān)的安全性檢測(cè)在燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方面也顯得尤為重要。在燃料電池汽車出廠之前就要做多次安全性測(cè)試。

 

氫氣泄露檢測(cè)：由于氫氣是一種低密度的氣體，檢查泄露最常規(guī)的方法就是液體檢測(cè)，其方法與測(cè)試輪胎漏氣部位的原理差不多。常規(guī)的檢查方法就是向供氫系統(tǒng)通入氮?dú)饣蚝獾榷栊詺怏w，這種氣體密度小，而且活躍性低。之后進(jìn)行水體氣泡檢測(cè)以及皂泡實(shí)驗(yàn)，對(duì)所有連接點(diǎn)進(jìn)行有效測(cè)試。水體測(cè)驗(yàn)成本不高，實(shí)際效果也不錯(cuò)。靈敏度較高的檢測(cè)方法有超聲波、鹵素火焰法以及氦質(zhì)譜泄漏檢測(cè)儀等，但是成本較高，而且測(cè)試過(guò)程中比較復(fù)雜，更多的是應(yīng)用在高級(jí)車輛中。

 

系統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)：為了考察車載氫氣系統(tǒng)的可靠性，以防燃料電池汽車在經(jīng)歷劇烈振動(dòng)之后產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。儲(chǔ)氫瓶與燃料電池電堆都要進(jìn)行一個(gè)整體的振動(dòng)檢測(cè)，統(tǒng)稱為系統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)。其具體檢測(cè)方式是在垂直方向采用8g（重力加速度）加速度，水平方向施加2g加速度進(jìn)行振動(dòng)檢驗(yàn)，在持續(xù)經(jīng)過(guò)指定的振動(dòng)時(shí)間后，再檢查整個(gè)系統(tǒng)的氣密性。

 

追尾碰撞安全以及防追尾檢測(cè)：如何預(yù)防并保證燃料電池汽車在發(fā)生追尾碰撞時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致其氫氣的泄漏、控制系統(tǒng)的失效以及電路起火，這些都是必須考慮的安全性問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有系統(tǒng)的碰撞安全性能評(píng)價(jià)體系，不過(guò)結(jié)合國(guó)內(nèi)外廠商所做試驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，一般燃料電池車輛要接受正面碰撞、偏置碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞等多方面檢測(cè)，然后對(duì)碰撞后的氫氣泄漏率、電解液溢出量、儲(chǔ)氫瓶位移等都需進(jìn)行評(píng)價(jià)，保證燃料汽車在各類碰撞情況下的安全性和進(jìn)一步的車身布置改進(jìn)。

 

2010年世博燃料電池車輛安全檢測(cè)實(shí)踐（氫氣超標(biāo)情況監(jiān)測(cè)）：早在2010年，上汽集團(tuán)在世博會(huì)期間就對(duì)于世博示范運(yùn)行的燃料電池汽車進(jìn)行過(guò)安全檢測(cè)實(shí)踐。檢測(cè)車輛140余輛，其中包括觀光車100輛、轎車42輛和大巴車6輛。檢測(cè)范圍包括供氫系統(tǒng)氫安全、車內(nèi)氫安全、零部件和管路氫安全、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫安全等多個(gè)方面。具體方式是將傳感器分布在被檢測(cè)車輛的各個(gè)部位，在車輛入庫(kù)出庫(kù)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的檢測(cè)，得出氫氣超標(biāo)情況。結(jié)果顯示燃料電池車輛在實(shí)際運(yùn)行中，整體安全性很高，氫氣超標(biāo)情況多由于當(dāng)時(shí)車體特性所致，不影響整車安全。

 

以某類轎車和大巴車為例，檢測(cè)結(jié)果顯示，轎車和大巴車分別共檢測(cè)了3468次和1119次，其中轎車共超標(biāo)62次，超標(biāo)率約為1.79%，大巴車共超標(biāo)16次，超標(biāo)率約為1.43%。

 

氫氣超標(biāo)多發(fā)生在加注口和車輪輪罩及前輪機(jī)罩邊緣處。（1）加注口特性影響：入庫(kù)時(shí)車輛剛加滿氫氣，加注口因本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致會(huì)有少量氫氣短時(shí)間內(nèi)聚集，從而導(dǎo)致此時(shí)此處檢測(cè)的氫氣超標(biāo)，是正?，F(xiàn)象，不影響整車安全。（2）前艙外邊緣超標(biāo)：在入庫(kù)檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)了多次前艙氫超標(biāo)，經(jīng)分析驗(yàn)證此處氫氣來(lái)源于12V鉛酸蓄電池氫氣的釋放。因檢測(cè)溫度為35°C以上，此種現(xiàn)象較為明顯。但是也不影響整車安全。

 

統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)下圖：其中以A、B、C、D、E、F、G、H分別表示轎車的各個(gè)位置。A：車周圍；B：車輪輪罩；C：前輪機(jī)罩邊緣；D：行李箱；E：乘員艙；F：手動(dòng)排空管；G：排空管；H：加注口。

 

密切的監(jiān)控體系確保燃料電池車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的安全性：根據(jù)不同的要求，在燃料電池車上對(duì)氫氣傳感器類型、數(shù)量以及布置的位置均有一定的要求。燃料電池車氫氣傳感器核心感應(yīng)元件都使用鉑金制造，穩(wěn)定性高。一般來(lái)說(shuō)，出于對(duì)安全性能考慮，燃料電池車總共要求安裝4個(gè)氫氣傳感器，而所有傳感器信號(hào)需直接傳送到儀表盤的醒目位置，及時(shí)通知駕駛員。