三步解決動(dòng)力電池熱失控

由于新能源汽車(chē)的快速的發(fā)展，動(dòng)力電池行業(yè)也備受關(guān)注。動(dòng)力電池即為工具提供動(dòng)力來(lái)源的電源，多指為電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)列車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、高爾夫球車(chē)提供動(dòng)力的蓄電池。

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)。本次會(huì )議圍繞動(dòng)力電池熱失控問(wèn)題(高溫熱失控為主)，討論影響電池安全性的各種因素，以及如何進(jìn)一步提升鋰離子電池安全性的技術(shù)手段與技術(shù)措施。清華大學(xué)歐陽(yáng)明高教授在會(huì )上分析了動(dòng)力電池熱失控的三種誘因，并對此提出了一些解決方案及建議。

熱誘因

通俗來(lái)講，所謂的熱誘因就是外部高溫環(huán)境，包括外部起火、電池散熱不良等。在外部高溫下，由于鋰離子電池結構的特性， SEI膜、電解液等會(huì )發(fā)生分解反應，電解液的分解物還會(huì )與正極、負極發(fā)生反應，電芯隔膜將融化分解，多種反應導致大量熱量的產(chǎn)生。隔膜融化導致內部短路，電能量的釋放又增大了熱量的生產(chǎn)。這種累積的互相增強的破壞作用，其后果是導致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，發(fā)生燃燒起火。

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，電池就會(huì )出現起火爆炸的現象。

對此，廠(chǎng)商可以從電池設計和BMS電池管理系統兩個(gè)方面來(lái)解決。從電池設計角度，可以開(kāi)發(fā)來(lái)防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應;從電池管理角度，可以預測不同的溫度范圍，來(lái)定義不同的安全等級，從而進(jìn)行分級報警。

現在市面上的電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池都包含熱管理系統，采用風(fēng)冷或者水冷方案為電池散熱。對于用戶(hù)，要從使用習慣開(kāi)始消除熱誘因，比如避免陽(yáng)光直射車(chē)輛、車(chē)內不要放置易燃物等，同時(shí)常備車(chē)載滅火器，消除自燃因素。此外，時(shí)刻關(guān)注儀表板或中控屏上的電池溫度信息，一般來(lái)說(shuō)電池單體的工作溫度在40℃～50℃之間，高于或低于這個(gè)溫度范圍都是不利于電池使用的。

電化學(xué)誘因

電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內短路。這種內短路是緩慢發(fā)生的，時(shí)間非常長(cháng)，而且不知道它什么時(shí)候會(huì )出現熱失控。若進(jìn)行試驗，無(wú)法重復驗證。目前全世界專(zhuān)家還沒(méi)有找到能夠重復由雜質(zhì)引起的內短路的過(guò)程，都在研究當中。

要解決這個(gè)問(wèn)題，首先提高制造工藝減少電池制造中的雜質(zhì)。這就要選擇產(chǎn)品品質(zhì)好的電池廠(chǎng)商，其次對內短路進(jìn)行安全預測，在沒(méi)有發(fā)生熱失控之前，要找到有內短路的單體。這意味著(zhù)必須要找到單體的特征參數，可以先從一致性著(zhù)手。電池是不一致的，內阻也是不一致的，只要找到中間有變異的單體，就可以將其辨別出來(lái)。具體而言，正常的一個(gè)電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，方程的形式實(shí)際上是一樣的，只不過(guò)正常單體、微短路的單體的參數發(fā)生了變化?？梢葬槍@些參數來(lái)進(jìn)行研究，看其在內短路變化中的一些特征。

滿(mǎn)電狀態(tài)的電池負極上嵌入大量鋰離子，過(guò)充后，負極片上產(chǎn)生析鋰現象，出現針狀的鋰金屬結晶，刺穿隔膜發(fā)生短路。在BMS電池管理系統中，都會(huì )有過(guò)充保護策略，當系統檢測到電池電壓達到閾值時(shí)，就會(huì )關(guān)斷充電回路，對電池進(jìn)行保護。雖然在出廠(chǎng)前，廠(chǎng)家針對BMS都會(huì )進(jìn)行一些列電性能測試，但是為了預防萬(wàn)一，還是不建議廣大用戶(hù)長(cháng)時(shí)間給電動(dòng)汽車(chē)充電，并且選擇正規的充電設備，消除過(guò)充隱患。

機械電氣誘因

碰撞是典型的機械觸發(fā)熱失控的一種方式，也就是汽車(chē)碰撞事故而引發(fā)電池受損。電池受損時(shí)也會(huì )產(chǎn)生內短路而引發(fā)熱失控，但是這種短路與電化學(xué)誘因引發(fā)的短路不同，機械受損一般是瞬間發(fā)生的，對應實(shí)際生活中的突發(fā)事故，強烈的撞擊、翻車(chē)、擠壓都可以導致電池在很短的時(shí)間內發(fā)生機械損壞。

解決碰撞(機械)觸發(fā)熱失控的辦法就是做好電池的結構安全性保護設計。為此，歐陽(yáng)明高教授給出了四種設計路線(xiàn)：

1 組裝結構設計：塑料框架支撐+鋼帶預緊的組裝結構以及高強度骨架;

2 可靠性設計：利用電池包隔振連接器減少震動(dòng)磨損;彈性浮動(dòng)板保證連接可靠性;IP67方式防塵設計;

3 防碰撞輕量化設計：防碰撞CAE結構優(yōu)化;滿(mǎn)足強度要求的電池模組輕量化，方殼系統質(zhì)量成組效率>90%;

4 電池包定位鎖緊技術(shù)：利用限位自鎖及單項鎖緊機構對電池包進(jìn)行精確定位、鎖緊。

與會(huì )專(zhuān)家認為，電動(dòng)汽車(chē)電池應符合性能與安全相關(guān)要求，安全性測試驗證要滿(mǎn)足熱測試(高溫危險、熱穩定、無(wú)熱管理循環(huán)、熱沖擊循環(huán)、被動(dòng)傳播電阻)，電性測試(短路、過(guò)充電和過(guò)放電)和機械性測試(沖擊、掉落、穿刺、翻滾、浸入、壓碎)的安全要求。但是，這并不意味著(zhù)動(dòng)力電池企業(yè)可以高枕無(wú)憂(yōu)。安全無(wú)止境，提高電動(dòng)汽車(chē)安全性，還需要國家、科研機構、動(dòng)力電池整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條等多方的共同努力。

在燃油汽車(chē)發(fā)展的一百多年歷史中，也曾不斷出現事故，遇到挫折是任何事情發(fā)展的規律。因此，對于各類(lèi)事故，電動(dòng)汽車(chē)各產(chǎn)業(yè)鏈不應止步不前，而應審視并完善自身存在的各種問(wèn)題與不足。同時(shí)也應意識到消費者對安全的要求是無(wú)止境的，要讓安全成為滿(mǎn)足一切功能的首要條件。