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电动汽车动力电池安全防护设计

2016-12-27 16:55:57 | 人围观 | 评论:

  1.整体思路

  动力电池系统安全防护的根本原则:阻止电能和化学能在系统正常运行状态和某些非正常状态(法律法规、标准所规定的情况,以及典型的失效情况),以不可控的方式释放,或减轻其不可控释放所带来的危害。

  安全防护设计的主要方法:

  1)阻止能量的不可控释放――预防危害发生

  2)阻断能量不可控释放的路径――阻止危害发生后的蔓延

  3)降低能量不可控释放的破坏――降低危害所造成的损害

  针对电击危害:

  ①被动预防为主,保证足够的绝缘强度和有效的接触防护

  ②采取有效的主动干预机制(针对绝缘缓慢失效),阻止危害发生,保证安全裕量

  ③一旦发生,因为能量释放太快(毫秒级),无法及时进行中断或降损

  针对燃烧危害:

  ①预防,中断和降损有效结合

  ②主动防护,阻止过充,短路,过热等滥用情况,避免危害发生

  ③良好的结构防护,保护电池在撞击,挤压,穿刺,跌落等情况下的安全性

  ④良好的散热能力,降低内部热累计速度,避免热失控

  ⑤内部组件的着火点温度阈值足够高,提高危害发生的门槛

  ⑥防火槽,隔热材料,导火导热装置等中断火灾蔓延路径,阻止连锁反应

  ⑦阻燃材料,降低燃烧损害

  ⑧采取危险源检测与主动灭火装置

  针对爆炸危害:

  ①预防为主,避免燃烧

  ②中断和降损为辅,在发生爆燃时,有泄压装置,快速释放高温高压气体,避免爆炸,或降低爆炸的力度

  2.工程方法

  安全的防护设计,是一个系统工程,切勿从局部入手,仅根据某些典型的失效案例,采取有限的应对措施,或者仅根据国外和国内标准的要求,简单通过相关的测试和认证。

  在产品的安全设计工作中,要追根溯源,抽丝剥茧,综合运用多种工程方法和措施,从系统级到子系统、部件、零件等各个层级都采取完整而有效的解决方案,从而实现整个系统的安全性。

  在项目的早期,产品仅处于概念或草案阶段,此时需要结合已有的工程经验,综合考虑产品所面向区域的法律法规、标准规范、典型案例、客户需求等因素,确定产品的系统级安全目标。

  项目早期(概念阶段):

  ①工程经验

  ②法律法规

  ③标准规范

  ④已有案例

  …

  在产品的方案阶段,则要根据产品的总体架构和接口定义,基于产品的系统级安全目标,综合运用头脑风暴、鱼骨图分析、FTA、System-FMEA、建模仿真等工程方法,确定详细的安全目标和相关指标,并分解至子系统或零部件,同时确定相互之间的安全设计配合。

  项目早期(方案阶段):

  ①头脑风暴

  ②鱼刺图(鱼骨图)

  ③FTA(故障树分析)

  ④S-FMEA

  ⑤仿真

  …

  在接下来的开发过程中,仍然需要将安全的相关设计目标往下分解,直至最底层的零件,建立完善的需求分解和追溯系统。运用DFMEA、测试、安全评估等方法,验证安全设计的有效性和完整性。

  项目过程中(设计/验证阶段):

  ①D-FMEA

  ②测试

  ③安全评估

  …

  在产品的安全设计方案方面,应该结合主/被动安全防护设计,达到最佳的安全防护效果,提升动力电池系统的安全性能。

  被动安全防护设计:

  ①结构强度

  ②绝缘材料

  ③防水防尘

  ④快速散热

  ⑤防火阻燃

  ⑥压力泄放

  …

  主动安全防护设计:

  ①专有的安全防护电路与软件模块

  ②绝缘、烟雾、压力、气体、液体检测

  ③达到阈值门槛,执行报警、切断输出、主动灭火等措施

  …

  通过系统级防护设计和零部件防护设计相互结合,能够获得较高的安全冗余,从而提升动力电池系统的安全性能。

  系统级安全防护设计:

  ①环境防护

  ②滥用防护

  ③压力平衡

  ④主动安全防护

  …

  零部件级安全防护设计:

  ①电芯在极端情况下的安全性

  ②部件在高温下的阻燃特性

  ③控制单元的功能安全

  …

  3.建立企业内部规范

  欧美企业在发展过程中,会逐步建立自己的产品开发规范,从设计要求、设计方案、设计检查、评审评估等各个方面都有严格规定,从而在企业内部建立一个防火墙机制。国内企业在这方面则重视不够,产品开发过程受人的影响非常大,不能将经验的积累转化为一种制度性的强制约束,会一而再再而三的重复别人或自己曾经犯过的错误。此外,每个公司的资源都是有限的,如果不同产品的经验不能积累成通用化的平台并充分共享,必然导致资源的投入永远跟不上业务扩张的速度,企业决策和管理层疲于奔命,工程师累的崩溃,产品问题层出不穷。

  在动力电池系统的安全防护方面,企业应该逐步为自己建立一个行之有效的安全设计规范,来约束不同产品的开发目标和过程。如有可能,应该逐步推动企业内部标准的建立。





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