如何做好動力電池熱失控的安全防控

曹喜栓

摘要：動力電池系統(tǒng)具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低而被廣泛應用于新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為動力的主要來源。然而，在實際使用中動力電池系統(tǒng)可能發(fā)生機械碰撞、擠壓、針刺、過充電、過放電、內(nèi)短路及過熱等異常情況，由此造成的熱失控極易引起動力電池系統(tǒng)著火甚至爆炸的危險情況。為此，本文對動力電池系統(tǒng)熱失控的發(fā)生誘因展開研究，并著重分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及相關的抑制手段。

關鍵詞：熱失控；動力電池系統(tǒng)

引言

隨著電動汽車存量增加，電動汽車安全事故明顯增多，成為關注的熱點。據(jù)中國電動汽車百人會研究成果《電動汽車安全報告》不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年發(fā)生電動汽車安全事故14例，而2016年發(fā)生35例。這些發(fā)生的安全事故中，動力電池熱失控引起的事故占比最大。動力電池熱失控安全技術研究，引起國內(nèi)外學者廣泛重視。

1 動力電池熱失控發(fā)生誘因

1.1機械濫用

動力電池系統(tǒng)的機械濫用情況，是指碰撞、擠壓、穿刺、振動等外力作用下，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，自身不同部位發(fā)生相對位移的情況。機械濫用發(fā)生后可能會撕裂電池單體隔膜，使電池單體發(fā)生內(nèi)部短路現(xiàn)象。強烈的擠壓和穿刺發(fā)生時電池單體的易燃電解質(zhì)泄漏，則會引起電池包乃至電動汽車的燃燒。

1.2電氣濫用

1.2.1外短路

動力電池系統(tǒng)的外短路一般是由于汽車碰撞引起的變形，浸水，導體污染或維護期間的電擊等情況所引起，此時當存在壓差的兩個導體在電芯外部接通時，外部短路就發(fā)生了。外部短路釋放的熱量并不會直接加熱電池，只有當外部短路產(chǎn)生的熱量無法很好的散去時，電池溫度才會上升，從而觸發(fā)熱失控。

1.2.2過充電

動力電池系統(tǒng)的過充電主要是由于充電機故障、或BMS未能監(jiān)控到每單個電池的電壓而造成的。由于過充時電池的能量是充滿的，所以過充電也是電氣濫用中危害最大的一種。

1.2.3過放電

動力電池系統(tǒng)的過放電主要是發(fā)生在BMS監(jiān)控故障，導致最低電壓的電芯被過放電的現(xiàn)象。在過放電期間，如BMS無法及時在電池組中具有最低電壓電池單體達到截止電壓時停止電池放電，則具有最低電壓的電池可以被串聯(lián)連接的其它電池強制放電，從而電池極點發(fā)生反轉(zhuǎn)，電池電壓變?yōu)樨撝?，最終導致過放電的電池異常發(fā)熱。

1.3熱濫用

動力電池系統(tǒng)的熱濫用現(xiàn)象很少獨立存在，往往是從機械濫用和電氣濫用發(fā)展而來，并且是最終直接觸發(fā)熱失控的一環(huán)。一旦溫度在濫用條件下異常升高，化學副反應就會發(fā)生，隨后會產(chǎn)生熱-溫度-反應（HTR）循環(huán)，最終形成鏈式反應，直至發(fā)生熱失控。

2 動力電池熱失控抑制手段

2.1電芯材料修飾

通過對電芯材料進行修飾阻斷熱失控的鏈式反應，從而提升電芯的抗熱失控的能力，目前研究主要集中在對正極材料、負極材料、電解液、隔膜四大主材的材料修飾，如對正負材料進行表面包覆修飾防止正極材料和電解液的接觸，對正極材料摻雜金屬元素提高電芯的熱穩(wěn)定性，在電解液中添加阻燃添加劑，開發(fā)固態(tài)聚合物電解質(zhì)，采用三層復合隔膜等。

對電芯材料進行修飾雖然可以從根本上提升電池的安全性能，但是一定程度上會影響電池性能的發(fā)揮，而且當強烈的機械濫用（如針刺）發(fā)生時，電池的熱失控必然會發(fā)生，所以電池的外部預防管理也是十分必要的。

2.2電氣安全設計

電氣安全設計是電池系統(tǒng)安全設計中最重要的部分，通過設計覆蓋整個電池系統(tǒng)的電氣安全防護體系，有效解決電氣安全問題。首先，對電氣系統(tǒng)整體進行電氣間隙及爬電距離優(yōu)化，為電氣奠定安全基礎；其次，在高壓安全方面，通在主回路中設計主熔斷器、主繼電器、模組過流保護、電芯過流保護等過流分級防護，消除因系統(tǒng)外部和模組與模組間短路失效造成的危害，有效防護高壓系統(tǒng)電氣安全；再次，防止因電池包浸水和采集回路導線及連接器失效造成的短路對電壓采集回路進行傷害，對系統(tǒng)內(nèi)所有電壓采集回路進行保護。

2.2.1電氣間隙及爬電距離優(yōu)化

電氣間隙和爬電距離是電氣安全設計的基礎，如果動力電池內(nèi)部帶電部件與外殼之間距離過小，很容易造成短路或者擊穿，使動力電池殼體帶電；如果不同電位的帶電部件之間電氣間隙或爬電距離過小，同樣可能造成短路引發(fā)火災。動力電池電氣間隙和爬電距離設計首先需要遵照國家標準（GB/T18384.1）進行設計；在國家標準的基礎上，還需根據(jù)環(huán)境因素所帶來的影響對電氣間隙及爬電距離的參數(shù)進行修正，例如導體周圍絕緣材料電極化現(xiàn)象，以及導電部件之間或?qū)щ娏悴考c設備防護界面之間擊穿現(xiàn)象等。在某動力電池系統(tǒng)設計過程中，通過模組及線束布置優(yōu)化，電氣間隙達到55mm以上，爬電距離達到200mm以上。

2.2.2高壓系統(tǒng)安全

為解決高壓線路末端電池單體外短路問題，進行分布式外短路保護設計。本設計主要作用是防止系統(tǒng)濫用的情況下，外部短路電流對電芯進行短時間大電流充電；該短時大電流充電將造成電池單體內(nèi)部熱失控，導致起火爆炸。通過在每個單體通電回路中串聯(lián)一個大電流通電熔斷裝置，當單體外部由于其它保護元器件失效導致瞬間大電流通過串聯(lián)熔斷裝置的單體回路，熔斷裝置進行動作切斷異?；芈?，避免大電流破壞單體，造成單體熱失控的發(fā)生。為防止主回路過載發(fā)熱和短路危險，在電氣系統(tǒng)主回路中設置快速熔斷器，在熔斷器選型中考慮系統(tǒng)最大電壓峰值沖擊電流的頻率和時間等因素，保證產(chǎn)品生命周期內(nèi)不因為疲勞老化過早失效，正常工作時不發(fā)生誤動作。主回路熔斷器的設計，達到了在主回路發(fā)生短路時電池單體不被損壞，以及導線煙化前進行熔斷保護的目的。在熔斷器回路設計和布置過程中為降低摸組間短路發(fā)生的機率，將主熔斷器布置于模組串數(shù)的1/2處。

2.3外部預防管理

2.3.1結(jié)構(gòu)設計預防

結(jié)構(gòu)設計預防熱失控的主要預防手段有增加熱障、振動隔離、碰撞防護以及增加氣體排出點等。

增加熱障主要是指在電芯或模組之間增加間隔組件，阻止電芯之間、模組之間的熱傳導的發(fā)生；振動隔離主要是通過結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化提高電池系統(tǒng)可靠性，比如安裝框架提供額外的結(jié)構(gòu)支撐、優(yōu)化設計電極端子提高電氣連接可靠性等；碰撞防護的要點是要在碰撞過程中保持電池包的結(jié)構(gòu)完整性，一般有后部碰撞防護、側(cè)面碰撞防護和正面碰撞防護，用以吸收或分散碰撞產(chǎn)生的沖擊能量；增加氣體排出點則是設計一個或多個在電池熱失控事件期間打開的排氣噴嘴，引導氣體和電池材料流向遠離乘員艙的方向，降低車輛損壞和相關人員的安全風險。

2.3.2熱管理設計預防

電池的散熱效率對預防熱失控十分重要，所以熱管理設計預防主要是從抑制熱擴散方面，減輕熱失控對電池的損傷。相比較自然冷卻和強制風冷，液冷是散熱效率較高的一種熱管理方式，所以增加液冷系統(tǒng)是一種有效預防電池系統(tǒng)熱失控的手段。

結(jié)語

為了確保動力電池系統(tǒng)的安全性，熱失控的防護的機理研究和預防設計是必不可少的。目前，造成動力電池熱失控發(fā)生的誘因主要有機械濫用、電氣濫用和熱濫用，而三者往往是關聯(lián)發(fā)生的。抑制熱擴散的手段主要有電芯材料修飾、結(jié)構(gòu)設計預防、熱管理預防和BMS監(jiān)控等方式。在本文中著重對熱失控發(fā)生的誘因及抑制手段展開了研究，總結(jié)了每種預防方法的要點。

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（作者單位：中國電子科技集團公司第十八研究所）