三步解決動力電池熱失控

由于新能源汽車的快速的發(fā)展，動力電池行業(yè)也備受關注。動力電池即為工具提供動力來源的電源，多指為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車提供動力的蓄電池。

由清華大學主辦的第一屆全國鋰離子電池安全性技術研討會在北京召開。本次會議圍繞動力電池熱失控問題(高溫熱失控為主)，討論影響電池安全性的各種因素，以及如何進一步提升鋰離子電池安全性的技術手段與技術措施。清華大學歐陽明高教授在會上分析了動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、電解液等會發(fā)生分解反應，電解液的分解物還會與正極、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(nèi)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(shù)據(jù)顯示，當電池單體溫度達到135℃時，隔膜開始融化，電壓下降;150℃電池電壓快速下降;等溫度高達245℃時，隔膜完全崩潰，電池就會出現(xiàn)起火爆炸的現(xiàn)象。

對此，廠商可以從電池設計和BMS電池管理系統(tǒng)兩個方面來解決。從電池設計角度，可以開發(fā)來防止熱失控的材料，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，來定義不同的安全等級，從而進行分級報警。

現(xiàn)在市面上的電動汽車的動力電池都包含熱管理系統(tǒng)，采用風冷或者水冷方案為電池散熱。對于用戶，要從使用習慣開始消除熱誘因，比如避免陽光直射車輛、車內(nèi)不要放置易燃物等，同時常備車載滅火器，消除自燃因素。此外，時刻關注儀表板或中控屏上的電池溫度信息，一般來說電池單體的工作溫度在40℃～50℃之間，高于或低于這個溫度范圍都是不利于電池使用的。

電化學誘因

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(nèi)短路。這種內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時間非常長，而且不知道它什么時候會出現(xiàn)熱失控。若進行試驗，無法重復驗證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程，都在研究當中。

要解決這個問題，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)好的電池廠商，其次對內(nèi)短路進行安全預測，在沒有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。這意味著必須要找到單體的特征參數(shù)，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內(nèi)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。具體而言，正常的一個電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，方程的形式實際上是一樣的，只不過正常單體、微短路的單體的參數(shù)發(fā)生了變化?？梢葬槍@些參數(shù)來進行研究，看其在內(nèi)短路變化中的一些特征。

滿電狀態(tài)的電池負極上嵌入大量鋰離子，過充后，負極片上產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象，出現(xiàn)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(tǒng)中，都會有過充保護策略，當系統(tǒng)檢測到電池電壓達到閾值時，就會關斷充電回路，對電池進行保護。雖然在出廠前，廠家針對BMS都會進行一些列電性能測試，但是為了預防萬一，還是不建議廣大用戶長時間給電動汽車充電，并且選擇正規(guī)的充電設備，消除過充隱患。

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，也就是汽車碰撞事故而引發(fā)電池受損。電池受損時也會產(chǎn)生內(nèi)短路而引發(fā)熱失控，但是這種短路與電化學誘因引發(fā)的短路不同，機械受損一般是瞬間發(fā)生的，對應實際生活中的突發(fā)事故，強烈的撞擊、翻車、擠壓都可以導致電池在很短的時間內(nèi)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，歐陽明高教授給出了四種設計路線：

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磨損;彈性浮動板保證連接可靠性;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;滿足強度要求的電池模組輕量化，方殼系統(tǒng)質(zhì)量成組效率>90%;

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

與會專家認為，電動汽車電池應符合性能與安全相關要求，安全性測試驗證要滿足熱測試(高溫危險、熱穩(wěn)定、無熱管理循環(huán)、熱沖擊循環(huán)、被動傳播電阻)，電性測試(短路、過充電和過放電)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，這并不意味著動力電池企業(yè)可以高枕無憂。安全無止境，提高電動汽車安全性，還需要國家、科研機構、動力電池整個產(chǎn)業(yè)鏈條等多方的共同努力。

在燃油汽車發(fā)展的一百多年歷史中，也曾不斷出現(xiàn)事故，遇到挫折是任何事情發(fā)展的規(guī)律。因此，對于各類事故，電動汽車各產(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題與不足。同時也應意識到消費者對安全的要求是無止境的，要讓安全成為滿足一切功能的首要條件。