鋰電池熱失控預(yù)警機制設(shè)計研究

岳仁興 張永強 張志軍 解樂樂 袁玉強

摘要：鋰離子電池熱失控是重要的安全風險，影響到鋰離子電池應(yīng)用。通過建立鋰離子電池熱失控預(yù)警機制，為工作人員提供熱失控預(yù)警信息，保證電池使用安全性。本文就鋰離子電池熱失控預(yù)警機制的設(shè)計議題進行了探討，供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池、熱失控預(yù)警

引言：鋰離子電池是重要的動力能源。當電池散熱能力沒有增強的情況下，不斷增強電池的產(chǎn)熱能力，無疑會造成鋰離子電池工作溫度升高，造成電池熱失控狀況，從而給電池使用帶來很大的風險。通過對電池熱失控過程進行分析，設(shè)計科學的鋰離子電池熱失控預(yù)警機制是降低電池使用風險，降低事故發(fā)生率的重要途徑。

一、鋰電池熱失控概念

鋰離子電池熱失控的根本原因是電池工作過程中產(chǎn)生的熱量比散發(fā)的熱量更多，這種情況下電池內(nèi)部溫度升高，引起電池失效。當電池熱失控時通常是鏈式反應(yīng)沒有得到有效控制，因此以起火、燃燒、爆炸等方式表現(xiàn)出來，引發(fā)電池安全事故。

二、熱失控機理及過充狀態(tài)下失控過程分析

鋰離子電池內(nèi)部熱失控主要涉及到非正常放熱反應(yīng)，具體包括SEI膜熱分解反應(yīng)、負極和電解液反應(yīng)、電解液自分解反應(yīng)、正極和電解液反應(yīng)。在電池溫度升高的過程中，首先發(fā)生的反應(yīng)是SEI膜熱分解反應(yīng)。雖然在正常情況下SEI膜有一定的保護作用，但是它在熱穩(wěn)定性方面并不好。當電池溫度升高到90℃或更高時，SEI膜熱分解反應(yīng)速度就會加快。隨著SEI膜的溶解，膜分子和溶劑分子會相互嵌入，使鋰離子在負極的脫嵌速度降低，影響電池性能。鋰離子在脫離嵌入的過程中受到較大的阻力，電能消耗增加，放熱量增大，溫度不斷升高。此時包裹在電池負極表面的固體電解質(zhì)界面膜層不但減少，使電池負極材料暴露在電解液中。高溫環(huán)境下，電池自組分材料具有很強的化學活性，暴露的負極材料和電解液中的組分迅速發(fā)生反應(yīng)并釋放熱量，使電池溫度進一步升高[1]。目前鋰離子電池的電解液包括固態(tài)和液態(tài)兩種。高溫條件下，電池正極材料隨著分解反應(yīng)發(fā)生而逐漸減少，正極材料受熱分解在產(chǎn)生氣體的同時釋放熱量，使電池溫度呈指數(shù)升高，最終造成電池熱失控狀況。此外，電解液在熱分解過程中會和電池內(nèi)的組分發(fā)生反應(yīng)，使電池熱失控過程更加復(fù)雜。

當電池在過充狀態(tài)時，鋰離子被還原，金屬鋰的含量不斷增加，堆積成鋰的結(jié)晶物，這種結(jié)晶物不斷成長并生出更多的枝梢，隨著結(jié)晶物的堆積和生長很容易磁盤隔膜造成電池內(nèi)部短路，使電池產(chǎn)生大量氣體并釋放大量的熱，造成電池熱失控[2]。

三、鋰電池熱失控預(yù)警機制設(shè)計

在對電動汽車鋰電池熱失控預(yù)警機制中采用系統(tǒng)嵌入式的方式，通過建立BMS系統(tǒng)，輸入溫度、電壓、電流探測器等輸入?yún)?shù)，經(jīng)過系統(tǒng)分析后向駕駛?cè)藛T或工作人員輸出熱失控預(yù)警信息。

熱失控預(yù)警的系統(tǒng)架構(gòu)如下：參數(shù)輸入后系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)信息判斷鋰離子電池是否處于危險狀態(tài)，如果診斷出電池處于危險狀態(tài)，則預(yù)警系統(tǒng)開啟;如果診斷出電池不屬于危險狀態(tài)，則電動汽車正常運行。如果診斷出電池處于危險狀態(tài)，則繼續(xù)診斷電池是否屬于熱失控狀態(tài)，如果診斷出電池是熱失控狀態(tài)，則立即啟動警報;如果診斷出電池不是熱失控狀態(tài)，則判斷電池是否屬于其他的危險狀態(tài)。在判斷電池是否屬于其他的危險狀態(tài)時可設(shè)計以下四種模型，包括熱濫用模型、電濫用模型、機械濫用模型、復(fù)合觸發(fā)模型。根據(jù)上述四種模型的分析，判斷電池正在處于哪一種危險狀態(tài)，從而計算出電池如果發(fā)生熱失控所需要的時間。在經(jīng)過上述分析后得出最終的信息，通過顯示端向駕駛?cè)藛T或工作人員輸出電池熱失控預(yù)警信息。

熱失控預(yù)警系統(tǒng)的流程與數(shù)據(jù)流程是相對應(yīng)的。首先，BMS系統(tǒng)收集電池的溫度、電壓、電流等參數(shù)。其次，將收集的參數(shù)輸入到電池熱失控預(yù)警系統(tǒng)中，系統(tǒng)對鋰離子電池是否存在熱失控危險進行診斷。診斷的溫度限制設(shè)定為80℃，當實際溫度值超過80℃時則判斷電池存在熱失控危險;當實際溫度未超過80℃時，則判斷電池處于安全狀態(tài)。根據(jù)電池是否存在熱失控危險來確定熱失控預(yù)警系統(tǒng)是否開啟。如果電池處于相對安全的狀態(tài)，則熱失控預(yù)警系統(tǒng)關(guān)閉，反之，則啟動熱失控預(yù)警系統(tǒng)。當系統(tǒng)診斷出電池存在熱失控危險，此時熱失控預(yù)警系統(tǒng)啟動，然后繼續(xù)對電池溫度進行監(jiān)測，同步上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時對電池的熱失控風險狀況進行分析診斷。如果分析出電池升溫速度超過1℃/s，此時判定為鋰電池發(fā)生熱失控，立即向駕駛?cè)藛T或工作人員發(fā)出預(yù)警信息。如果系統(tǒng)診斷出鋰電池未發(fā)生熱失控，根據(jù)四種危險狀態(tài)模型計算出鋰電池將要發(fā)生熱失控的時間，向駕駛?cè)藛T或工作人員發(fā)出預(yù)警信息。四種危險狀態(tài)模型具體選擇哪一種模型的判定參數(shù)為電壓。如果是針刺導(dǎo)致鋰電池發(fā)生熱失控狀況，則電池電壓會迅速降低至零，因此這種熱失控狀況是由電池過充導(dǎo)致的;其他的電池熱失控狀況都屬于高溫造成的。

在電動汽車行駛過程中，儀表盤上顯示BMS系統(tǒng)監(jiān)測到的電池溫度信息，駕駛?cè)藛T或工作人員可以實時接收到電池溫度。如果電池溫度快要接近80℃時，駕駛?cè)藛T或者工作人員可以調(diào)整策略，如果有冷卻系統(tǒng)的話可以開啟電池冷卻系統(tǒng)，這樣就能夠盡早避免電池溫度升高過快引發(fā)電池熱失控。如果儀表盤顯示鋰電池溫度超過80℃，則此時電池熱失控預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)診斷為熱失控狀態(tài)了，預(yù)警系統(tǒng)處于啟動狀態(tài)，儀表盤上顯示電池將要發(fā)生熱失控的時間參數(shù)，提醒駕駛?cè)藛T或工作人員立即停車，離開電動汽車，并采取冷卻滅火措施，避免人員或設(shè)施傷亡。

四、結(jié)語

綜上所述，鋰離子電池是重要的能源動力來源，在新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。鋰離子電池熱失控狀況是影響鋰離子電池使用安全的重要威脅。通過鋰電池熱失控預(yù)警機制的構(gòu)建，利用現(xiàn)代化技術(shù)診斷電池熱失控信息，及早提醒駕駛?cè)藛T和工作人員，采取安全防控措施，降低惡劣事故發(fā)生。

參考文獻

[1]張越超.高秀玲.高金津.鋰離子電池熱失控防控技術(shù)研究進展[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2020，（8）：30

[2]高飛.劉皓.吳從榮.汪書萍.范明豪.汪浩.鋰離子電池熱安全防控技術(shù)的研究進展[J].新能源進展，2020（1）：15

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