電動(dòng)汽車動(dòng)力電池安全管理策略分析

陳玉華

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車建筑工程系，河南 商丘 476000)

1 電動(dòng)汽車發(fā)展概述

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車最核心部件，一直是新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中最為重要的一環(huán)，而動(dòng)力電池能量密度的高低，又是決定電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵技術(shù)因素。在2018年的國家新版補(bǔ)貼政策中，對新能源汽車的能量密度門檻提高，自2018年6月起，我國的電動(dòng)汽車行業(yè)開始出現(xiàn)下滑跡象，2019年是新能源汽車的寒冬之年，2019年的前三季度，汽車市場整體表現(xiàn)明顯下滑，從7月起新能源汽車銷量出現(xiàn)四連降的下滑態(tài)勢[1]。

當(dāng)前，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正迎來行業(yè)內(nèi)的顛覆性變革，一方面是因?yàn)槿斯ぶ悄?、大?shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)與汽車深度融合，打造電動(dòng)汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化、共享化和移動(dòng)出行服務(wù)；另一方面，國家補(bǔ)貼政策的退坡以及消費(fèi)者需求的不斷提高，倒逼汽車在制造方式、產(chǎn)業(yè)成本等方面加快變革，而電池比能量的提升被放在了首要位置，致使有些車企忽視了電動(dòng)汽車的安全。安全是新能源汽車發(fā)展的生命線，也是電動(dòng)汽車市場競爭中的關(guān)鍵要素，也是最能體現(xiàn)各新能源造車實(shí)力核心技術(shù)亮點(diǎn)的地方[2]。

雖然當(dāng)前出現(xiàn)了一些有關(guān)電動(dòng)汽車安全方面的問題，但是有關(guān)數(shù)據(jù)表明，新能源汽車出現(xiàn)事故的概率約為0.9/104，而傳統(tǒng)燃油車自燃的概率是萬分之三，只要把握好高比能量與安全性之間的平衡點(diǎn)，是可以通過一些技術(shù)手段來保障電動(dòng)汽車的安全性的。

2 構(gòu)建新能源汽車安全管理體系的有效策略

經(jīng)過對當(dāng)前新能源汽車發(fā)生事故的主要原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，筆者發(fā)現(xiàn)絕大部分都是由動(dòng)力電池的熱失控致使電動(dòng)汽車發(fā)生冒煙、起火甚至爆炸。由鋰離子電池的反應(yīng)機(jī)理知，電池的充放電過程實(shí)際就是電芯內(nèi)部的電極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程，其間會(huì)放出熱量，當(dāng)電芯散發(fā)的熱量加上本身反應(yīng)的熱量小于電芯內(nèi)部產(chǎn)生的熱量時(shí)，電芯的內(nèi)部溫度會(huì)升高，當(dāng)電池的溫度達(dá)到一定溫度時(shí)會(huì)誘發(fā)一系列連鎖的副反應(yīng)，如電解液的分解、固體電解質(zhì)界面膜的溶解、活性物質(zhì)的溶解、正極材料的相變化、黏結(jié)劑與高活性負(fù)極的反應(yīng)和金屬鋰沉積等，這些鏈?zhǔn)椒磻?yīng)又會(huì)放出熱量，致使溫度快速上升，最高的溫度上升速率達(dá)1 000 ℃/s。除此之外，電池過熱的原因也有很多，有可能是電池包溫度不均勻，電芯局部區(qū)域溫度過高，以及過充過放、外短路、內(nèi)短路等，還有機(jī)械原因如電池包進(jìn)水、密封不好、碰撞等，以上原因都會(huì)使電池內(nèi)部溫度在短時(shí)間內(nèi)累積而得不到有效的散發(fā)，從而引起動(dòng)力電池的熱失控，引發(fā)電池鼓包、燃燒、爆炸等極端現(xiàn)象[3]。

當(dāng)動(dòng)力電池內(nèi)部由于熱失控釋放的熱量高于消耗的熱量時(shí)，此時(shí)電芯內(nèi)部急劇積累的熱量，將熱量擴(kuò)散到與它相鄰的電芯，電池模塊內(nèi)的電池單體發(fā)生熱失控后觸發(fā)與其相鄰或其他部位的電池單體發(fā)生熱失控的現(xiàn)象稱為熱失控?cái)U(kuò)散[4]，如圖1所示，查閱相關(guān)資料數(shù)據(jù)可知，當(dāng)電池溫度升高1 ℃，失效速度增加約7%。當(dāng)溫度每升高10 ℃，電池的退化速度就增加到原來的1倍，為了動(dòng)力電池的安全，通?？刂苿?dòng)力電池包內(nèi)溫差不超過5 ℃[5]。

圖1 動(dòng)力電池的單體熱失控?cái)U(kuò)散機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal runaway diffusion mechanism of power batteries

當(dāng)前車用動(dòng)力電池絕大部分采用高比能量的三元材料，如811，其熱穩(wěn)定性較差，而高鎳正極對電池安全又有較大的影響，為了提高整車的安全性能，通過材料的包覆對其熱穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)，相應(yīng)的安全得到較大改善。真正事故的發(fā)生是熱蔓延導(dǎo)致的，根據(jù)單個(gè)電芯熱失控?cái)U(kuò)散機(jī)理，當(dāng)電池模組內(nèi)有一個(gè)電芯單體發(fā)生熱失控后，會(huì)蔓延到與之臨近的電池模塊，為了抑制電池的熱蔓延，可在主導(dǎo)傳熱的路徑上加隔熱材料，在電池單體間加道防火墻，以達(dá)到隔斷熱失控蔓延的成效。

受電極材料、工藝的影響，電池在生產(chǎn)制造過程中即使是同一批次的電池，其容量也有一定的離散性，同時(shí)電池組在實(shí)際應(yīng)用過程中因存在內(nèi)阻差異、自放電率差異，動(dòng)力電池的容量也較之前降低，此時(shí)電芯間出現(xiàn)不一致性，電池模組的工作狀態(tài)是由最差電池單體決定的，而動(dòng)力電池在經(jīng)過多次充放電循環(huán)后對熱擾動(dòng)的敏感性也隨著增強(qiáng)，由于單體電池不一致性的存在，將嚴(yán)重影響動(dòng)力電池組充放電循環(huán)能力。因此，在電池組各個(gè)電池間設(shè)置均衡電路，實(shí)施均衡控制，使各單體電池充放電的工作情況盡可能一致，從而提高整個(gè)電池組以及整車的安全性能[6]。

在實(shí)際應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，單個(gè)的電池間很難保證一致性，電池在充電過程中出現(xiàn)“大肚子”現(xiàn)象其本質(zhì)就是過充的一種表現(xiàn)，電池充電時(shí)正極材料的體積會(huì)發(fā)生一定量的收縮，而當(dāng)過充時(shí)，正極晶格會(huì)發(fā)生塌陷，同時(shí)鋰離子在負(fù)極形成枝晶，致使隔膜在一定程度上被刺穿，造成電池不可逆的損壞。電池在放電時(shí)，鋰離子的嵌入使正極材料的體積發(fā)生一定量的膨脹，而當(dāng)過放時(shí)，正極材料活性變差，阻隔鋰離子的嵌入，當(dāng)正極材料的體積過度膨脹時(shí)，會(huì)造成材料的物理結(jié)構(gòu)不可逆地?fù)p害。在排列緊密的電池模組中，當(dāng)有一個(gè)單體電池出現(xiàn)變形、破裂時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)的電解液發(fā)生泄漏，甚至腐蝕整個(gè)電池組，使電池在工作過程中出現(xiàn)短路，從而引起電池起火。此時(shí)，需要一個(gè)能夠?qū)蝹€(gè)電芯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的“將軍+參謀”，即電池管理系統(tǒng)來監(jiān)測每一個(gè)單體電池的動(dòng)態(tài)，以防止它們中的各個(gè)成員出現(xiàn)“叛徒”，從而避免整個(gè)電池組的不可控?zé)崃坷鄯e。

電池管理系統(tǒng)能夠?qū)?dòng)力蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，通過對電壓、電流、溫度以及SOC(state of charge)等參數(shù)進(jìn)行采集和控制，即對動(dòng)力電池進(jìn)行監(jiān)測、保護(hù)、平衡、報(bào)警、通信、控制以及計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)力蓄電池的保護(hù)，提升電池的綜合性能。大容量鋰電池如三元電池存在比較明顯的不一致性，其不一致性會(huì)影響電池的充放電能力及循環(huán)壽命，電池管理系統(tǒng)可以通過均衡改善不一致性；此外，電池在不同溫度系表現(xiàn)出不同的性能，鋰離子電池的最佳工作溫度為20～45 ℃，溫度的變化會(huì)使電池的SOC、開路電壓、內(nèi)阻和可用容量發(fā)生變化，也可以通過電池管理系統(tǒng)控制電池工作的環(huán)境溫度，改善電池的性能，達(dá)到提升爭持整體性能?？梢哉f，一套好的電池管理系統(tǒng)是擁有一定的智能化水平的。而在電動(dòng)汽車的實(shí)際使用中，電池管理系統(tǒng)更是不可或缺，是能夠與電池、電機(jī)三分天下的巨頭之一。

3 結(jié)語

對于頻發(fā)的電動(dòng)汽車起火、燃燒事件，我們要正確看待，通過事后調(diào)查許多電動(dòng)汽車起火的主要原因是產(chǎn)品質(zhì)量問題，沒有遵守技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)驗(yàn)證周期偏短等。其次是國家的補(bǔ)貼政策要符合技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，對能量密度的提升不宜過快、不宜更改過頻。電池安全是電池技術(shù)革命性突破的第一重點(diǎn)，也是純電動(dòng)汽車性能提升的第一關(guān)鍵，電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展越后期電池安全就越變成一個(gè)瓶頸技術(shù)，可以說安全是電動(dòng)汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線，各動(dòng)力電池研發(fā)部門和整車企業(yè)，要以安全為核心，全面提升現(xiàn)有鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)安全技術(shù)，全力突破新型固態(tài)電池技術(shù)。總之，我們要力爭解決動(dòng)力電池安全問題，保障新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展。