動(dòng)力電池?zé)崾Э貙?duì)新能源汽車的危害

游煜城 張潤(rùn)樾 黃澤平 胡 鵬

(廣東財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州510445）

目前，隨著不可再生資源日益枯竭，節(jié)源環(huán)保意識(shí)提升。新能源汽車受到民眾的青睞，其中，動(dòng)力鋰電池組憑借其比其他電池組有著更優(yōu)秀的性能成為各大汽車廠商首選的新能源汽車動(dòng)力源。然而根據(jù)2019 年統(tǒng)計(jì)的新能源汽車自然數(shù)據(jù)中，與動(dòng)力電池安全相關(guān)的新能源汽車安全事故達(dá)40 余起，而由于電池?zé)崾Э匾鸬膭?dòng)力電池安全事故為主要原因之一。另外新能源汽車在行駛途中面對(duì)復(fù)雜路況時(shí)其動(dòng)力電池組勢(shì)必處于負(fù)載情況下會(huì)因電池內(nèi)阻產(chǎn)生大量的熱能，導(dǎo)致鋰電池的電解液氣化，從而導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象發(fā)生。因此需要設(shè)計(jì)一種電池組可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電池的溫度的狀態(tài)，避免高溫電池電解液氣化和低溫鋰電池性能下降。

本論文是基于智能鋰離子動(dòng)力電池組專利來闡述電池安全問題的思路，減少因電池問題產(chǎn)生的自然事故。專利基本內(nèi)容：在電池組內(nèi)水平橫置結(jié)構(gòu)的放置兩到三個(gè)鋰電池，內(nèi)置溫度傳感器和在電池組前端放置紅外溫度傳感器監(jiān)測(cè)電池外表溫度，通過冷卻管中冷卻液的流速保持電池溫度相對(duì)恒定。

1 動(dòng)力電池安全問題

1.1 因電池產(chǎn)生安全事故事件統(tǒng)計(jì)

新能源汽車是目前國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展的風(fēng)口，在2020 年全國(guó)兩會(huì)《政府工作報(bào)告》中提出了重點(diǎn)支持“兩新一重”的建設(shè)，報(bào)告支持：加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)，拓展5G 應(yīng)用，建設(shè)數(shù)據(jù)中心，增加充電樁、換電站等設(shè)施，推廣新能源汽車，激發(fā)新消費(fèi)需求、助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)。目前，新能源汽車動(dòng)力電池普遍采用鋰離子電池作為儲(chǔ)能元件，鋰離子電池優(yōu)勢(shì)在于比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，但存在較為嚴(yán)重的安全隱患。在面對(duì)汽車行駛途中的復(fù)雜工況時(shí)，電池的安全性是目前新能源汽車的一個(gè)挑戰(zhàn)，當(dāng)車輛行駛或者充電途中不能及時(shí)有效的控制電池的溫度則容易發(fā)生熱失控的現(xiàn)象。

表1 是2016 年-2020 年上半年的因電池故障導(dǎo)致新能源汽車自燃的事故件數(shù)（數(shù)據(jù)來源于互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選只統(tǒng)計(jì)因電池事故起火的案例，因數(shù)據(jù)收集不全實(shí)際新能源汽車起火事件數(shù)量比統(tǒng)計(jì)數(shù)量多），從表一中可得新能源汽車在充電或者行駛途中因電池?zé)崾Э刈匀嫉陌咐谥鹉赀f增，還可以發(fā)現(xiàn)這些自燃的純電車中汽車品牌也有增加，說明現(xiàn)在的新能源汽車制造商都在面臨電池安全的挑戰(zhàn)。

1.2 自燃原因分析

上述因動(dòng)力電池導(dǎo)致新能源汽車自燃事件統(tǒng)計(jì)分析可得，新能源汽車自燃事故具有易觸發(fā)、不易發(fā)現(xiàn)、多誘因的特點(diǎn)。上述統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)都是因?yàn)閯?dòng)力電池問題引發(fā)的自燃，電池安全涉及到自身材料、制造工藝、電氣、熱力學(xué)等多個(gè)方面問題，而新能源汽車面對(duì)復(fù)雜的工況環(huán)境對(duì)電池的安全要求更為苛刻。汽車行駛途中和充電途中，電池都處于一個(gè)持續(xù)放電或充電狀態(tài)隨著電池老化，各個(gè)電池之間的一致性會(huì)越來越差，這時(shí)電池過充或者過放就會(huì)更容易發(fā)生熱失控情況。如圖1，當(dāng)電池長(zhǎng)期工作時(shí)，電池內(nèi)阻變大而產(chǎn)生大量的熱能溫度升高到90～120℃之間時(shí)SEI 膜開始分解，釋放熱量，溫度升高。但是當(dāng)溫度達(dá)到120～130℃時(shí)保護(hù)層SEI 膜遭到破壞，負(fù)極與溶劑、粘結(jié)劑反應(yīng)，溫度升高，隔膜融化關(guān)閉。溫度繼續(xù)升高至150℃之上后，內(nèi)部電解質(zhì)開始進(jìn)行分解，繼續(xù)釋放熱量，進(jìn)一步加熱電池，電池溫度達(dá)到200℃之上時(shí)，正極材料分解，釋放出大量熱和氣體，持續(xù)升溫。250-350℃嵌鋰態(tài)負(fù)極開始與電解液發(fā)生反應(yīng)。在反應(yīng)發(fā)生過程中，電解液與正極反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣劇烈反應(yīng)并進(jìn)一步使電池發(fā)生熱失控。

圖1 動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理

2 電池安全問題現(xiàn)狀

2.1 熱失控誘因

為了解決電池安全問題，一方面需要利用車載BMS 系統(tǒng)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督，保持單體電池之間的一致性；及早發(fā)現(xiàn)單體電池存在的問題。另一方面需要對(duì)誘發(fā)電池?zé)崾Э氐墓收习咐M(jìn)行分析，從電池著手建立有效的診斷方案和預(yù)警機(jī)制來提高電池的安全性。熱失控誘因分為三大類：機(jī)械誘因、電誘因、熱誘因；機(jī)械誘因細(xì)分兩類：擠壓和刺穿；電誘因細(xì)分兩類：內(nèi)短路和過充點(diǎn)；熱誘因：高溫過熱。當(dāng)熱失控發(fā)生后會(huì)波及其他安全的單體電池也就是熱失控?cái)U(kuò)展。

2.2 電池設(shè)計(jì)缺陷

電池安全涉及到自身材料、制造工藝、電氣、熱力學(xué)等多個(gè)方面問題，所以電池的合理設(shè)計(jì)可以減少熱失控的誘因，目前存在的缺陷：a.電池裝配的工藝不高，導(dǎo)致制造過程中存在一定的公差。由于新能源電池散熱風(fēng)扇在制造安裝過程中容易因?yàn)槌叽缫蟛灰?guī)范導(dǎo)致安裝后風(fēng)扇外傳子偏離出現(xiàn)風(fēng)扇振動(dòng)的情況，長(zhǎng)期行駛途中電池組的電纜就存在因?yàn)轱L(fēng)扇的振動(dòng)導(dǎo)致電纜接頭松動(dòng)，接觸電阻產(chǎn)熱，引起電池溫度升高導(dǎo)致熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。b.電池組的封裝工藝不夠緊密，電池艙密封性弱，汽車長(zhǎng)期行駛途中不可避免的會(huì)遇見下雨天和路況較差的情況，當(dāng)電池艙密封性弱時(shí)會(huì)有泥水滲入艙內(nèi)，存在短路的現(xiàn)象；并且有可能滲入的泥水夾雜這顆粒物，電池封裝不夠緊密時(shí)電池振動(dòng)有可能導(dǎo)致電池單體被刺穿。

表1 2018 年-2020 年上半年電動(dòng)汽車自燃事件統(tǒng)計(jì)表

3 電池安全問題對(duì)策

新能源汽車在行駛途中面對(duì)復(fù)雜路況時(shí)其動(dòng)力電池組勢(shì)必處于負(fù)載情況下，造成鋰電池發(fā)熱嚴(yán)重而導(dǎo)致電路短路也是電池?zé)崾Э匕踩鹿实闹饕?。因此，如何提高?dòng)力鋰電池的散熱性和安全性成為新能源汽車行業(yè)急需解決的技術(shù)問題。為了解決上述的電池安全問題的現(xiàn)狀，減少電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象的發(fā)生，講解自己對(duì)電池安全問題解決的思路。

3.1 電池安全問題解決思路

傳統(tǒng)的電池組制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)陋，電池單體缺 乏傳感器監(jiān)控；因此可以設(shè)計(jì)一種智能鋰離子動(dòng)力電池組，具體設(shè)計(jì)思路是：電池組外殼采用鋁合金材料，在鋁合金外殼側(cè)邊開口，方便電池包和傳感器封裝；在外殼內(nèi)水平設(shè)計(jì)左右結(jié)構(gòu)的電池槽位，將鋰電池包安裝與電池槽位并放置耐高溫墊圈，減少車輛行駛時(shí)振動(dòng)對(duì)電池的影響；在相鄰電池之間設(shè)置冷卻管，冷卻管連通電池組前后端以便于冷卻液循環(huán)，并設(shè)置水泵連接BMS 系統(tǒng)采用溫控的方法控制冷卻液的流速；在外殼前端嵌入式處理器收集電池單體的電池?cái)?shù)據(jù)如：溫度、電壓等，在外殼上設(shè)計(jì)與設(shè)備連接的動(dòng)力電池組的正、負(fù)電極和嵌入式處理器的CAN 線路接口。

3.2 設(shè)計(jì)思路優(yōu)勢(shì)

通過前文可以了解到新能源汽車的自熱起因大多數(shù)都是由于動(dòng)力電池組的熱失控導(dǎo)致的，而熱失控誘因歸咎于電池的設(shè)計(jì)，組裝，監(jiān)控不重視，例如：外力導(dǎo)致電池組被刺穿、充電時(shí)BMS 失效導(dǎo)致電池過充、行駛時(shí)汽車的振動(dòng)導(dǎo)致接口松動(dòng)電阻變大，等等。因此設(shè)計(jì)思路就從上訴問題著手，將電池組外殼材質(zhì)換成鋁合金外殼，增加外殼強(qiáng)減少電池組因外力導(dǎo)致變形。更換散熱方式采用冷卻液循環(huán)方式，避免傳統(tǒng)風(fēng)扇散熱的缺點(diǎn)：散熱不均勻還受安裝工藝影響風(fēng)扇運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。更全面的監(jiān)控方式：在單體電池里增加溫度和電壓傳感器，在電池組內(nèi)部安裝熱能感應(yīng)器，當(dāng)電池電壓下降和溫度上升時(shí)可以及時(shí)告知車主有效預(yù)防熱失控對(duì)人身健康威脅。

4 結(jié)論

對(duì)近幾年因動(dòng)力電池故障導(dǎo)致汽車自燃事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析起火原因，討論了電池?zé)崾Э氐恼T因，得出動(dòng)力電池現(xiàn)有的缺陷，動(dòng)力電池組技術(shù)水平直接影響新能源汽車的未來發(fā)展，本文結(jié)合新能源汽車電池技術(shù)問題和設(shè)計(jì)的實(shí)用新型專利為新能源汽車智能鋰離子動(dòng)力電池組，對(duì)電池安全的探討給車企未來對(duì)電池安全的思考提出了建設(shè)意見。