對于電池安全，國際上有對于鋰離子電池的安全的標準比如ISO、IEC、SAE、IEEE、UL、USABC 、UN38.3等，這些標準規(guī)定了鋰電池運輸認證試驗的各項標準。鋰離子電池必須在一組電氣、熱力和機械參數(shù)的安全操作區(qū)域內(nèi)使用。那么當離開這個安全區(qū)域或當電芯內(nèi)部缺陷出現(xiàn)故障時，某些機制可以啟動電化學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致電芯故障或潛在的危險事件。

 

那么如何分析電芯失效呢？我們采用故障模式與影響分析（FMEA）和故障樹分析（FTA）方法進行了電池系統(tǒng)級別的故障分析和試驗設(shè)計，分析了電芯內(nèi)部短路的行為及其對電芯系統(tǒng)和車輛的影響。必須考慮到一點的是，電池安全并不意味著系統(tǒng)級別的電池安全。對電芯本身有良性影響的電芯失效機制在系統(tǒng)層面上可能無意中變得危險。單個電池的故障導(dǎo)致了一輛電動貨運三輪車的災(zāi)難性故障。在這里，我們列出了FMEA和FTA以及補充的實踐實驗如何分析系統(tǒng)自下而上和自上而下，以將基本故障機制與不希望出現(xiàn)的端部效應(yīng)聯(lián)系起來，以及隨后衍生的緩解方法，以提高電池的安全性。

02

火災(zāi)事故

在現(xiàn)場操作中觀察到兩起車輛火災(zāi)事件，均發(fā)生在電芯充電過程中。汽車電芯由8個串聯(lián)的3.6 V 100 Ah LFP電池組成。LFP電池一般認為是相對安全的，因為根據(jù)安全測試證明，即使在最不利的條件下，如內(nèi)部或外部短路、過充或機械損壞，電池也不會燃燒或爆炸。單元排列成兩塊四個單元。每個電池都配備了一塊印刷電路板（PCB），用于在充電過程結(jié)束時進行平衡時的電壓控制和電流旁路。該打印件固定在正負極上，并直接置于電池的超壓通風口上方。電池塊由阻燃的ABS蓋保護。

 

03

檢查和故障分析

LCO（左）和LFP（右）電池的典型特征

對失效電池的檢查表明，八個電池中的一個總是被完全摧毀。對車輛日志文件、充電器和電池電子設(shè)備的分析表明，電池在安全范圍內(nèi)工作，即3.0 V至3.8 V之間，充電電流為25 A，放電電流低于3 C（300 A）。然而，對充電過程的監(jiān)測顯示，在恒流恒壓（CC-CV）序列對電芯進行完全充電后，充電并沒有完全中斷。充滿電的電池持續(xù)保持在3.7V的電壓下，之后電池進行浮充。浮充對于鋰離子電池可導(dǎo)致電解質(zhì)氧化、陰極材料的化學(xué)降解和陽極處鋰的電鍍，最終導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。隨后，內(nèi)部短路將啟動電池的熱失控和排氣。然而，內(nèi)部短路也可能由于制造相關(guān)的原因，如金屬污染物或隔膜故障而發(fā)生。

 

因此，根據(jù)第一次檢查和故障分析，假設(shè)電池內(nèi)部短路（無論出于何種原因）是火災(zāi)事件的開始。 

04

FMEA和FTA方法分析

失效模式影響分析（FMEA）從識別關(guān)鍵項目的可能失效模式開始。在我們的例子中，關(guān)鍵項目是一個單元，而相關(guān)的故障模式是內(nèi)部短路

 

IEC 60812的FMEA工作流程

 

另一方面，電池失控、安全閥排氣和假定故障樹分析（FTA）的釋放是從內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的可燃氣體開始的。但是，與最終效應(yīng)頂事件車輛火災(zāi)相關(guān)的鏈接缺失，這必須與系統(tǒng)級車輛火災(zāi)中的基本故障事件相關(guān)。FTA需要系統(tǒng)識別：

 

可能導(dǎo)致頂級事件的所有事件或效果組合。因此，我們正在尋找與內(nèi)部短路和導(dǎo)致車輛火災(zāi)相結(jié)合的其他事件。

 

這兩種方法都意味著，如果在熱失控的情況下，電池釋放出可燃氣體，只需要某種火源就可以起火。從LFP電池的材料安全數(shù)據(jù)表中可以看出電解質(zhì)的組成。它由易燃有機溶劑的混合物組成，例如碳酸乙烯酯（EC）（沸點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）。

實驗

需要一個點火源來引火的事實可能是微不足道的。然而，即使失效分析的結(jié)果和FMEA和FTA方法的結(jié)果也不能直接揭示這一來源。

 

因此，為了重建從基本事件到最終效應(yīng)的整個過程，定義了單電池和整車的實際熱失控實驗。

 

5.1單體內(nèi)部短路

 

電池的內(nèi)部短路和熱失控可以通過金屬釘?shù)拇┩竵砑せ?，這也是許多安全評估測試的一部分。用裝有溫度傳感器的充滿電的電池進行穿透試驗。

 

5.2結(jié)果

 

滲透幾秒鐘后，防爆壓閥打開，大量濃煙以明顯的高壓釋放。煙霧釋放持續(xù)約7分鐘，壓力逐漸下降。正負螺絲處的溫度穿透幾秒鐘后，超壓閥打開并大量濃煙在高壓下釋放。這種煙霧釋放持續(xù)了大約7分鐘壓力逐漸降低。電池正負螺紋端子的溫度上升到300°C。但是沒有火災(zāi)或爆炸發(fā)生。在電池頂部觀察到電解質(zhì)沉淀。

電芯穿透試驗

 

5.3車內(nèi)電池內(nèi)部短路

 

在裝備齊全的車輛上對電池進行了進一步的試驗。這意味著每個單元有兩個模塊，每個單元有四個單元，每個單元有用于電壓和電荷控制的印刷電路板電子設(shè)備和阻燃的ABS蓋插入車輛中。所有其他零件和蓋也安裝了，以獲得真正的車輛狀況。溫度傳感器被放置在電池組周圍的臨界點。然后在左側(cè)塊的中心位置的一個單元中激活熱失控。

 

5.4結(jié)果

 

釘入電芯側(cè)面后觀察到濃煙，熱失控時電池周圍的溫度上升到約200°C。大約8分鐘后，第一個火焰可見，12分鐘后，車輛燃燒。用標準泡沫滅火器滅火，再次燃燒起來，最終熄滅。火災(zāi)導(dǎo)致溫度超過600°C。隨后的檢查表明，單個電池上面的印刷電路板完全碳化。此外，到電池正負極的印刷電路板觸點仍然由鄰近的電芯。進一步的實驗表明，在電路板碳化過程中產(chǎn)生了電火花，從而確定了點火源。

熱失控時電池的溫度

穿釘試驗后的溫度（傳感器6在高于800°C的點火后不久失效）

 

釘子穿透8分鐘后火焰蔓延，箭頭指向穿透的釘子

 

因此，我們發(fā)現(xiàn)了從基本事件到最終效應(yīng)的鏈條：一個電池內(nèi)部短路、熱失控、電池內(nèi)壓力增大、超壓閥排氣、電池蓋下的熱煙和易燃煙釋放、電池PCB碳化、電池閥上的PCB發(fā)生電火花、煙霧點燃、火災(zāi)、車內(nèi)。