動(dòng)力電池安全智能系統實(shí)例分析及建議

2015年以來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)被燒事件一而再三地被媒體曝光。如何解決好這個(gè)問(wèn)題，2017年5月6日-7日，由清華大學(xué)主辦的第一屆全國鋰離子電池安全性技術(shù)研討會(huì )在北京召開(kāi)，歐陽(yáng)明高教授認為，解決好動(dòng)力電池熱失控需要三板斧。這些說(shuō)明，要解決好電動(dòng)汽車(chē)上動(dòng)力電池的安全，一是行業(yè)上下都必須要高度重視，二是要研發(fā)出技術(shù)指標較高的系統（總成件），三有了這樣的系統以后，要積極配置到汽車(chē)上來(lái)。筆者將自己對動(dòng)力電池安全智能系統及實(shí)例分析及建議，分享給大家，供大家參考。

一、動(dòng)力電池安全隱患的誘因

動(dòng)力電池是能源載體，說(shuō)明其安全隱患誘因是客觀(guān)存在的。按照歐陽(yáng)明高教授的總結，大致可以分為三大類(lèi)：

1）外部高溫會(huì )導致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，會(huì )發(fā)生燃燒、起火。在外部高溫環(huán)境下， 電解液分解物與正極、負極發(fā)生反應，電芯隔膜將融化分解等導致內部短路，電能量釋放也多會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。

圖1 試驗數據示意圖

試驗數據顯示，當電池單體溫度達到135℃時(shí)，隔膜開(kāi)始融化，電壓下降；150℃電池電壓快速下降，等溫度高達245℃時(shí)，隔膜完全崩潰。結論是，電池單體工作溫度在40℃～50℃之間是比較理想的。結論是，如果高于或低于這個(gè)溫度范圍都是不利于電池正常使用的。

2）動(dòng)力電池內部的雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹與收縮、析鋰等都有產(chǎn)生動(dòng)力電池內部短路的可能。由動(dòng)力電池內部雜質(zhì)引起的內短路的過(guò)程的機理，目前全世界專(zhuān)家還在研究階段。

結論是，目前要做到消除動(dòng)力電池內部的雜質(zhì)等誘因，理論上還沒(méi)有找到可行的辦法。

3）汽車(chē)機械受損如強烈的撞擊、翻車(chē)、擠壓也是無(wú)法規避的客觀(guān)事實(shí)。機械受損會(huì )導致電池發(fā)生機械損壞，在很短的時(shí)間內，會(huì )發(fā)生動(dòng)力電池短路。結論是，汽車(chē)是運動(dòng)物體，動(dòng)力電池的機械受損也是一個(gè)大概率事件。

二、動(dòng)力電池發(fā)生安全事故的人為因素

1）由于充電操作不當導致外部短路。導致電池放電電流很大，會(huì )使電芯發(fā)熱，高溫會(huì )使電芯內部的隔膜收縮或完全壞壞，造成內部短路，因而爆炸。結論是，進(jìn)行培養，加強管理是一個(gè)十分必要的基礎管理工作。

2）電池過(guò)充導致正極的鋰過(guò)度放出會(huì )使正極的結構發(fā)生變化。而放出的鋰過(guò)多也容易無(wú)法插入負極中，也容易造成負極表面析鋰，而且，當電壓達到4.5V以上時(shí)，電解液會(huì )分解生產(chǎn)大量的氣體，從而導致電池鼓脹，嚴重的話(huà)甚至會(huì )冒煙起火。結論是，要通過(guò)聲光等措施要能及時(shí)告知要告訴操作人員，同時(shí)技術(shù)措施立即到位。要能杜絕這個(gè)行為的發(fā)生。

3）過(guò)放會(huì )導致電池正極材料分子結構損壞，從而導致充不進(jìn)去電。結論是，要通過(guò)聲光等措施要能告知要告訴操作人員，同時(shí)技術(shù)措施上，要能杜絕這個(gè)行為的發(fā)生。

4）IP防護等級不達標，導致電池內部水份含量過(guò)高。水份可以和電芯中的電解液反應，生產(chǎn)氣體，充電時(shí)，可以和生成的鋰反應，生成氧化鋰，使電芯的容量損失，易使電芯過(guò)充而生成氣體，水份的分解電壓較低，充電時(shí)很容易分解生成氣體，當這一系列生成的氣體會(huì )使電芯的內部壓力增大，當電芯的外殼無(wú)法承受時(shí)，電芯就會(huì )爆炸。

三、動(dòng)力電池安全安防范措施

1）BMS管理系統要具備自動(dòng)規避人為不當操作的功能。

2）動(dòng)力電池單體生產(chǎn)中過(guò)程控制措施到位。主要是要保障單體質(zhì)量要高、一致性要高。電池包的IP等級要符合電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)要求；

3） BMS管理系統要能控制電動(dòng)系統環(huán)境溫度，要保持適宜，具有自動(dòng)調節功能；

4）低溫環(huán)境下，BMS管理系統要能對動(dòng)力系統自動(dòng)加溫，對即將發(fā)生燃燒時(shí)（或爆炸時(shí)刻），要能自動(dòng)消除這些；

四、動(dòng)力電池安全智能系統基本結構

動(dòng)力電池安全智能系統分為三部分：a）電池系統；b）熱管理系統；c）自動(dòng)滅火系統。

圖2 動(dòng)力電池安全智能系統基本結構

1）熱管理系統的基本功能

a）電動(dòng)汽車(chē)正常后，電池始終保持在最佳工作溫度區間；

b）低溫環(huán)境下，借力充電槍?zhuān)?20-380網(wǎng)電）給車(chē)載電池加熱至電池正常工作問(wèn)題；

c）規避杜絕虛充或者過(guò)充；

d）能在-40度極寒條件下，確保電動(dòng)汽車(chē)能正常工作。

圖3 熱管理系統基本部件

2）自動(dòng)滅火系統基本功能

a）電池箱溫度過(guò)高或者燃燒時(shí)，自動(dòng)聲光報警，通知乘員疏散;

b）將藥劑罐內藥劑迅速?lài)娙腚姵叵鋬冗M(jìn)行滅火，整個(gè)過(guò)程不超過(guò)0.2秒。

c）整個(gè)滅火結果，不給電池系統造成新?lián)p傷。

五、動(dòng)力電池安全智能系統工作原理

1）熱管理系統的基本原理

采用液體冷卻技術(shù)，將專(zhuān)業(yè)設計的換熱板放置于電池箱內，在主機內對液體介質(zhì)進(jìn)行加熱/冷卻，再將液體送入換熱板內，通過(guò)內部流轉的液體進(jìn)行循環(huán)換熱。技術(shù)指標要求：

a）電池溫度精確控制在（±1℃）；

b）溫控速度在極熱或極冷情況下能20分鐘達到動(dòng)力電池的正常范圍。

c）體積尺寸大小必須控制在整車(chē)能接受范圍以?xún)取?/p>

可以實(shí)現實(shí)現的基本目標：

a）防止電池溫度過(guò)高，減少電化學(xué)腐蝕，避免熱失控導致燃燒或爆炸；杜絕電池溫度過(guò)高所引起的自燃；

b）防止低溫充電時(shí)，電池易出現瞬間電壓過(guò)充現象，導致短路；

c）防止低溫過(guò)充時(shí)導致的電池不可逆損傷。

2）自動(dòng)滅火系統的基本原理

在溫度（熱量）傳感器信號發(fā)生時(shí)，ECU發(fā)出指令，執行元件開(kāi)始工作，滅火劑立即到達，遇熱迅速氣化，吸收大量熱量，達到快速降溫的作用，且在電池箱底部形成積液，可持續降溫。技術(shù)指標要求：

a）常溫常壓儲存下，滅火劑有效期達10年；

b）滅火劑藥劑遇熱氣化，沉滯于電池箱內，迅速稀釋氧含量，在非閉空間里，亦可達到窒息滅火。

c）滅火劑能捕捉自由基，持續快速打斷鏈式反應，形成保護層，阻止復燃。

d）滅火劑介電強度大于60KV（不導電），且無(wú)腐蝕性，不會(huì )對電池造成任何傷害；

e）藥劑在自然狀態(tài)下5天自然分解，噴放后無(wú)需對電池箱做任何清潔工作，同時(shí)其分解物對環(huán)境無(wú)任何污染。臭氧層損耗值（ODP）為0，溫室效應值（GWP）為1。

六、總結及建議

1）電動(dòng)客車(chē)配置“動(dòng)力電池安全智能系統”將是強制安全標準的要求?！稒C動(dòng)車(chē)運行安全技術(shù)條件》（GB7258-20&TImes;&TImes;）代替GB 7258-2012）（征求意見(jiàn)稿）的12.10.4條款明確要求：“車(chē)廠(chǎng)大于等于6m純電動(dòng)客車(chē)、充電式混合動(dòng)力客車(chē)、燃料電池汽車(chē)應設置具有向駕駛人員報警功能的電池箱專(zhuān)用自動(dòng)滅火裝置。”客車(chē)整車(chē)企業(yè)必須加強對動(dòng)力電池安全智能系統的研究。

2）電池安全智能系統理應向高集成度方向發(fā)展。純電動(dòng)客車(chē)的驅動(dòng)電機也要保持一定工作溫度，客車(chē)車(chē)身里也要求自動(dòng)滅火裝置?？蛙?chē)里不可能配置功能基本一致的多套的裝置。最好是一整套總成，體積要小。

3）滅火劑，一是絕緣度等級要高，二是滅火劑完全滅火功能后，能自動(dòng)自然分解，三是滅火劑完全滅火功能后，在動(dòng)力電池箱上不能有遺留物。

4）有了“動(dòng)力電池安全智能系統”，電動(dòng)汽車(chē)安全等級會(huì )大大提高，對電動(dòng)汽車(chē)普及應用，無(wú)疑是”功在整車(chē)、零部件廠(chǎng)家，利在老百姓“的大好事，大家都要積極推動(dòng)它的應用。

5）中國電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展速度會(huì )很快的，安全措施（技術(shù)）必須要跟上。動(dòng)力電池安全智能系統理應一個(gè)核心技術(shù)，一是持續提高質(zhì)量，二是有序地配置到車(chē)來(lái)，一定要消除老百姓對電動(dòng)汽車(chē)安全性懷疑心理。