電動汽車用動力電池環(huán)境下的安全性能

李凱，王奐

（吉林省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗研究院，吉林 長春 130021）

0 引言

最近在深圳發(fā)生了一起交通事故，一輛比亞迪電動出租汽車被撞擊后，動力電池起火燃燒，造成司機(jī)和兩名乘客被燒死。作為未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，但目前卻并沒有完全普及的電動汽車來講，它最大的安全隱患就是動力電池的爆炸、起火燃燒。其實，電動汽車的起火燃燒事故并不少見，在全球范圍內(nèi)電動汽車的起火事件還包括眾泰自燃、沃藍(lán)達(dá)碰撞多日后起火以及菲斯克豪華轎跑Karma起火等，這些事故引起人們對電動汽車用鋰離子蓄電池安全性能的普遍關(guān)注。

隨著以電池驅(qū)動為代表的新能源汽車的普及，動力電池的安全性能日益重要。單從蓄電池本身來說，它是能量的載體，本身就存在著不安全因素，不同的電化學(xué)體系，不同的容量，制作工藝上的差異，以及使用的環(huán)境和使用的程度等，對電池的安全性都有很大程度的影響[1]。

1 環(huán)境溫度對電池的影響

鋰離子蓄電池在不同環(huán)境條件下的安全使用是至關(guān)重要的。在所有的環(huán)境因素中，溫度對鋰電池的充放電性能的影響最大，在電極/電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān)，電極/電解液的界面被視為鋰電池的心臟。如果溫度下降，那么電極的反應(yīng)率也會下降；假設(shè)鋰電池的電壓保持恒定，放電電流降低，則鋰電池的功率輸出也會下降[2-3]。如果溫度上升則相反，即鋰電池的輸出功率會上升。溫度也影響電解液的傳送速度，溫度上升則加快，溫度下降則減慢；鋰電池的充放電性能也會受到影響。但溫度太高，會破壞鋰電池內(nèi)的化學(xué)平衡，導(dǎo)致副反應(yīng)[4-5]。我們以20 Ah的單體鋰離子蓄電池為例進(jìn)行常規(guī)的環(huán)境試驗：

a）首先，在環(huán)境溫度為（20±5）℃常溫狀態(tài)的試驗箱中，對鋰離子蓄電池以1 I3/A電流放電，直到放電終止電壓2.0 V。這時對這組電池進(jìn)行測試，其容量值應(yīng)該不能低于額定值或是超過容量值的110%，結(jié)果容量測試值為21 Ah，是額定值的105%，說明在（20±5）℃常溫狀態(tài)下，鋰離子電池在合格范圍內(nèi)。

b）其次，在鋰離子蓄電池充滿電的條件下，放到環(huán)境為（-20±2）℃的低溫試驗箱中儲存20 h后，在（-20±2）℃環(huán)境條件下，以1 I3/A電流放電，直到放電終止電壓2.0 V，其鋰離子電池的容量應(yīng)不低于額定值的70%，經(jīng)過測量電池容量為20 Ah，即為額定值，說明在-20℃低溫狀態(tài)下，其容量值沒有變化。

c）最后，在鋰離子蓄電池充滿電的條件下，放到環(huán)境為（55±2）℃的高溫試驗箱中儲存5 h，然后在（55±2）℃條件下，以1 I3/A電流放電，直到放電終止電壓2.0 V，其容量應(yīng)不低于額定值的95%。結(jié)果實際測量的容量值為20 Ah，即為額定值，說明在55℃高溫狀態(tài)下，其容量值沒有變化。

通過以上試驗說明，雖然理論上環(huán)境對鋰離子電池是有影響的，但試驗結(jié)果表明這一組鋰離子電池在溫度變化的條件下，容量值并沒有發(fā)生非常大的改變。鋰離子蓄電池組作為電動汽車用動力電池，它是由N個小體積的單體鋰離子蓄電池通過串并聯(lián)的方式來實現(xiàn)給汽車整體提供能量，那么,對于汽車用動力鋰離子蓄電池的安全來說，單體鋰離子蓄電池的安全性至關(guān)重要。

2 電池的安全性能試驗

鋰離子蓄電池的單體電池是由正極、負(fù)極、隔膜和電解液等組件組成的、一個比較復(fù)雜的電化學(xué)體系，其安全性的高低取決于整個組件的 “底板效應(yīng)”。只有做到單體安全才能保證串并聯(lián)后電池整體的性能安全地提升，那么怎樣才能保證單體鋰離子蓄電池的安全性呢？我們就要通過以下的安全試驗來進(jìn)行驗證（安全性能試驗屬于破壞性試驗，試驗中為了安全起見，要把被測電池放在防爆箱中進(jìn)行）：

a）過放電

鋰離子蓄電池在常溫（20±5）℃條件的防爆箱里，以1 I3/A電流放電，直到蓄電池的電壓為0 V時（如果有電子保護(hù)線路，則應(yīng)暫時除去放電電子保護(hù)線路）。鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火、不漏液[6-7]，見圖1。通過試驗鋰離子蓄電池并沒有發(fā)生以上情況。這項試驗的目的是考核電動汽車在超出電池容量規(guī)定的行駛里程時，鋰離子蓄電池在極限放電狀態(tài)下的安全性能。

b）過充電

鋰離子蓄電池的過充試驗可以選擇兩種方式進(jìn)行：1）鋰離子蓄電池在常溫（20±5）℃條件的防爆箱里，以3 I3/A的電流進(jìn)行充電，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到5 V或充電時間達(dá)到90 min（其中一個條件優(yōu)先達(dá)到即停止試驗）；2）以9 I3/A電流充電，當(dāng)鋰離子蓄電池電壓達(dá)到10 V即停止試驗。在達(dá)到規(guī)定的電壓時，鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火，見圖1。通過試驗，鋰離子蓄電池并沒有發(fā)生爆炸或起火。此項試驗是考核對電動汽車的鋰離子蓄電池進(jìn)行充電時，充電設(shè)備失控或人為出現(xiàn)意外時，導(dǎo)致大電流過充電，此狀態(tài)下鋰離子蓄電池的安全性能。

c）短路試驗

鋰離子蓄電池在常溫（20±5）℃條件的防爆箱里，將鋰離子蓄電池通過外部短路，外部線路電阻應(yīng)小于5 mΩ。試驗時，鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火。通過試驗，蓄電池并沒有爆炸或起火，見圖1。此項試驗是考核鋰離子蓄電池在正常使用或意外事故時，蓄電池的正極和負(fù)極可能出現(xiàn)短路的情況，電池會產(chǎn)生很大的電流，此時蓄電池內(nèi)部的保護(hù)電路應(yīng)工作，將電極斷開，確保蓄電池不爆炸、不起火。

圖1 過充電、過放電以及短路試驗應(yīng)在防爆箱中完成

d）跌落試驗

鋰離子蓄電池在（20±5）℃條件下，從1.5 m高度處自由跌落到厚度為20 mm的硬木地板上，每個面1次（這里所指的蓄電池為長方體，所以要經(jīng)過6次跌落試驗）。試驗中，鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火、不漏液，見圖2。試驗結(jié)果表明，電池有液體流出，說明電池的外殼太薄弱，這批次電池為不合格產(chǎn)品。

圖2 跌落試驗后不合格蓄電池有液體流出

目前鋰離子動力電池的電解液是六氟磷酸鋰（LiPF6），它遇見空氣就揮發(fā)，會產(chǎn)生有強(qiáng)烈刺激性氣味的有害氣體。此項試驗主要是考核蓄電池在運(yùn)輸、搬運(yùn)過程中，不慎從高處跌落，蓄電池的外殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，不會發(fā)生破裂而導(dǎo)致電解液泄漏。

e）加熱試驗

將鋰離子蓄電池置于（8±52）℃恒溫箱內(nèi)，并保持120 min溫度不變。試驗過程中鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火。

在我國南方，夏季氣溫高達(dá)40℃，電動汽車長時間在烈日曝曬下行駛，動力電池在密閉的空間放置，其工作環(huán)境的溫度可達(dá)60℃以上，如果鋰離子蓄電池?zé)o法承受高溫環(huán)境下使用的試驗，就會發(fā)生爆炸、起火的現(xiàn)象。此項試驗就是考核動力電池在高溫環(huán)境下的安全性能。

f）擠壓試驗

將鋰離子蓄電池放置于擠壓試驗箱內(nèi)，在垂直于蓄電池極板方向施壓，擠壓面積不小于20cm2，擠壓至蓄電池殼體破裂或內(nèi)部短路（蓄電池電壓變?yōu)? V）。此項試驗為破壞性試驗，在試驗過程中鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火。見圖3。結(jié)果表明，試驗后，蓄電池并沒有發(fā)生爆炸或起火的現(xiàn)象，但是有濃煙產(chǎn)生。

電動汽車在行駛時若發(fā)生意外車禍，特別是電動汽車放置動力電池的部位被其它車輛撞擊后，動力電池的外殼就有可能破裂，甚至動力電池會被撞碎，就會發(fā)生爆炸、起火的現(xiàn)象。深圳526交通事故中，比亞迪電動出租車的動力電池被一輛高速行駛的跑車追尾，動力電池破碎后起火燃燒，造成司機(jī)和2名乘客遇難的悲劇，這說明，這輛電動出租車的動力電池的擠壓性能不合格。

g）針刺試驗

鋰離子蓄電池放置在防爆針刺試驗箱中，用Φ3～8 mm的耐高溫鋼針，以10～40 mm/s的速度，從垂直于蓄電池極板的方向貫穿（鋼針停留在蓄電池中），通過鋼針的貫穿保持電池的短路狀態(tài)，在試驗過程中鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火，見圖4、5。試驗結(jié)果：雖然電池有濃煙出現(xiàn)，但是并沒有爆炸或起火的現(xiàn)象。產(chǎn)品應(yīng)該被視為合格。

圖4 蓄電池的針刺試驗

汽車的大部分零部件都是由金屬制成的，當(dāng)電動汽車發(fā)生意外事故或是車禍時，動力電池遭到撞擊后，可能會有金屬零部件刺入甚至貫穿動力電池，造成電池短路、內(nèi)部電解液泄漏、冒煙和電池破碎等現(xiàn)象。針刺試驗和擠壓試驗都是考核動力電池在發(fā)生意外事故時的安全性能。

以上是單體鋰離子蓄電池的安全性能驗證，當(dāng)然單體的安全性能不能完全代表整體蓄電池組的安全性能。這是因為，單體蓄電池本身存在著個體的差異，在組成蓄電池組的時候，就不會達(dá)到單體蓄電池的動態(tài)一致性水平，而這種情況就會導(dǎo)致蓄電池組的不穩(wěn)定性，甚至?xí)绊懫涫褂玫膲勖?。所以單體蓄電池在組合成電池模塊后，要重復(fù)上述安全性能試驗。

我們還應(yīng)當(dāng)知道，影響鋰離子蓄電池安全的不僅是以上幾個方面，由于電動汽車整體設(shè)計和蓄電池本身的工藝設(shè)計要求的不同，都會使蓄電池在汽車上的位置有所不同，可分為集中式布局或分散式布局，每樣的布局都有它們的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，所以在布置蓄電池的位置時要根據(jù)車內(nèi)的實際空間情況來考慮：如果要實現(xiàn)布局的緊湊，就必須改變電動汽車蓄電池的傳統(tǒng)安裝方法;當(dāng)然，也要考慮蓄電池的安全性，以進(jìn)一步實現(xiàn)整車設(shè)計與蓄電池系統(tǒng)匹配設(shè)計的完善結(jié)合。

3 結(jié)束語

電動汽車的動力電池的使用特點(diǎn)是其它電源電池不能相比的，由于汽車的用途，出現(xiàn)的場所，可能發(fā)生的各種情況，就使蓄電池存在高速移動、劇烈震動、高溫工作和快速充放電、潛在的撞擊、刺傷以及短路、跌落、浸水和火燒甚至槍擊的可能性。因此，電動汽車對動力電池的安全性要求極高，微小的非安全概率都會給蓄電池造成極其嚴(yán)重的后果。

綜上所述，在動力蓄電池的應(yīng)用將越來越廣泛的今天，提高動力蓄電池的安全性能將是關(guān)于動力電池永久的話題。

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