動(dòng)力汽車用鋰離子電池的安全防護(hù)

巫揚(yáng)勛

摘 要：石油短缺、環(huán)境污染氣候變暖，使全球的汽車產(chǎn)業(yè)面對共同的挑戰(zhàn)，各國政府及產(chǎn)業(yè)界紛紛提出各自的發(fā)展戰(zhàn)略，積極應(yīng)對，以保持汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并提高未來的國際競爭力。新能源汽車已成為21世紀(jì)汽車工業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)，而鋰離子電池作為現(xiàn)今社會的主流汽車動(dòng)力用電池，運(yùn)用范圍越來越廣。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；安全性問題；安全防護(hù)

中圖分類號：TM912.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）08-0101-02

1 鋰離子電池綜述

1.1 鋰離子電池定義

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。

1.2 鋰離子電池的分類

①按外形分，可分為方形鋰離子電池、圓柱形鋰離子電池、異性鋰離子電池。

②按照外部封裝方式分，可分為鋼鋁殼電池、塑殼電池、鋁塑軟包電池。

③按鋰離子電池正極材料的不同，可分為錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池、磷酸亞鐵鋰離子電池、鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。

④按照鋰離子電池所用電解質(zhì)材料的不同，可分為聚合物鋰離子電池和液態(tài)鋰離子電池。

1.3 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液、安全閥、電池殼等組成。

①正極：正極物質(zhì)在錳酸鋰離子電池中以錳酸鋰為主要原料，在磷酸鐵鋰離子電池中以磷酸鐵鋰為主要原料，在鎳鈷鋰離子電池中以鎳鈷鋰為主要材料，在鎳鈷錳酸鋰離子電池中以鎳鈷錳鋰為主要材料。在正極活性物質(zhì)中再加入導(dǎo)電劑、樹脂粘合劑，并涂覆在鋁基體上，呈細(xì)薄層分布。

②負(fù)極：負(fù)極活性物質(zhì)是由碳材料和粘合劑的混合物再加上有機(jī)溶劑調(diào)和制成糊狀，并涂覆在銅基上，呈薄層狀分布。

③隔膜：隔膜的功能是關(guān)閉和阻斷通道，它一般是聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。

④電解液：電解液是以混合溶劑為主體的有機(jī)電解液，聚合物的則使用凝膠狀電解液。

⑤安全閥：為了保證鋰離子電池使用過程中的安全，在鋰電池的電池殼表面設(shè)置安全閥，防止內(nèi)部壓力過高。

⑥電池殼：鋰離子電池的外殼根據(jù)材料分主要有鋼殼、鋁殼、塑膠殼殼、鋁塑殼（軟包），材料不同，不同鋰離子電池的封裝工藝各也不盡相同。

1.4 鋰離子電池的特點(diǎn)

鋰離子電池有許多顯著的特點(diǎn)，它的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

①工作電壓高，鋰離子電池額定工作電壓為3.7V，為Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍。

②能量密度大，體積容量和質(zhì)量容量分別可達(dá)4 00Wh/cm3和125 Wh/kg，最大可達(dá)500 Wh/cm3。

③循環(huán)壽命長?？蛇_(dá)1 200次左右，磷酸鐵鋰電池在低深度放電的情況下可達(dá)8 000次。

④自放電率低，鋰離子電池月自放電率僅為10%，不到Ni-

Cd＼Ni-NH自放電的一半。

⑤無記憶性，沒有Ni-Cd＼Ni-NH電池一樣的記憶效應(yīng)。

⑥對環(huán)境無污染，稱為綠色電池。

⑦可根據(jù)實(shí)際空間需要，能夠制造成任意形狀。

2 鋰離子電池的安全性問題

鋰離子電池最常見的安全性問題主要有以下幾種。

2.1 短路問題

①外部短路時(shí)，由于外部正負(fù)極被短接或負(fù)載阻值過低，電池瞬間大電流放電。根據(jù)P=I2R，產(chǎn)生巨大熱量。

②內(nèi)部短路，主要原因是電池內(nèi)部的隔膜被穿透，正負(fù)極形成短路，產(chǎn)生大電流，溫度急劇上升導(dǎo)致隔膜熔化，進(jìn)而使內(nèi)部短路進(jìn)一步加劇。

2.2 氣體性問題

①鋰離子電池內(nèi)部的有機(jī)電解液在大電流或高溫的條件下會被氣化，導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高達(dá)到一定程度會沖破殼體，在無安全閥或安全閥失效的情況下導(dǎo)致爆炸的危險(xiǎn)。

②在大電流充電和過充的的情況下，正極鋰的氧化物也會發(fā)生氧化成金屬鋰，一旦與空氣直接接觸，引起燃燒，有可能引燃電解液，導(dǎo)致氣體急速膨脹，發(fā)生爆炸。

2.3 絕緣防護(hù)問題

電壓這是因?yàn)閯?dòng)力汽車為達(dá)到較好的能量利用，動(dòng)力電壓不斷提高，由以往的幾十伏已經(jīng)提高至目前100～600 V，遠(yuǎn)超過安全電壓，如果鋰電池的絕緣防護(hù)做得不好，動(dòng)力電池高電壓將會電池金屬外箱或金屬車身對乘員產(chǎn)生電擊傷害。

2.4 電路連接可靠性問題

長時(shí)間大電流工作的動(dòng)力電池如有局部接觸不良，或螺絲松動(dòng)，接觸不良的地方內(nèi)阻大，導(dǎo)致局部的溫度急劇上升，熱量會熔化導(dǎo)體外部的絕緣層，使導(dǎo)體處于裸露的狀態(tài)，導(dǎo)致發(fā)生電擊或短路的危險(xiǎn)。

2.5 機(jī)械結(jié)構(gòu)防護(hù)問題

一方面當(dāng)動(dòng)力汽車發(fā)生碰撞時(shí)，電池將承受巨大的沖擊載荷，并且可能受到擠壓、穿刺等損壞，嚴(yán)重的造成電池的燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。另一方面動(dòng)力汽車的工作環(huán)境為一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境，長期在路面上顛簸，容易導(dǎo)致電池固定松動(dòng)，造成一些機(jī)械性的傷害和連接件的松動(dòng)導(dǎo)致的一些問題。

3 安全防護(hù)

安全電壓：人體的安全電壓多采用36 V，根據(jù)國際電工標(biāo)準(zhǔn)（IEC60529）——為蓄電池驅(qū)動(dòng)的道路車輛提供能量的點(diǎn)起裝置，對正常工作中的觸電防護(hù)要求為在任意可接觸的觸點(diǎn)間的峰值電壓應(yīng)低于42.3 V。

安全電流：根據(jù)國家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，人體允許電流不超過30 mA，某些特殊場合下將更小。

電池絕緣阻值：在電池的整個(gè)壽命周期內(nèi)，按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法計(jì)算得到的絕緣電阻值，除以電池的標(biāo)稱電壓U，所得值應(yīng)大于100 Ω/V。

爬電距離：聯(lián)接端子的帶電部分（包含任何可導(dǎo)電的連接件）和電底盤之間，或兩個(gè)電位不同的帶電部分之間的沿絕緣材料表面的最短距離。以符號d表示。兩個(gè)聯(lián)接端子的爬電距離d≥0.25 U+5（d單位為mm，U為兩個(gè)端子間的標(biāo)稱電壓）；帶電部分與電底盤間的爬電距離d≥0.125U+5（d單位為mm，U為兩個(gè)端子間的標(biāo)稱電壓）。

3.1 電池的絕緣防護(hù)

①對于安全電壓超過36 V的動(dòng)力電池，安裝于汽車后其電池的表面必須有明顯標(biāo)識警告標(biāo)記，并注明電池的相關(guān)參數(shù)（容量、電壓等）。

②電動(dòng)客車用電池組輸出電壓高達(dá)幾百伏，電池箱除固定安裝電池外，必須有效隔絕操作人員和乘客與電池的接觸，防護(hù)要求如下：

其一，電池箱必須有效接地，與電池間的絕緣電阻值是為了滿足安全目的而確定的一個(gè)足夠的值。要求在動(dòng)力蓄電池的整個(gè)壽命周期內(nèi)，該絕緣電阻值除以動(dòng)力蓄電池的標(biāo)稱電壓U，所得值應(yīng)大于120 Ω/V；其二，電池的兩級以及兩級的連接板與電池箱的最小距離必須>10 mm，防止擊穿放電；其三，電池箱的內(nèi)部涂覆阻燃、耐高溫的絕緣漆。

③由于動(dòng)力汽車使用環(huán)境較為惡劣，主要受振動(dòng)、沖擊、氣候冷熱交替以及動(dòng)力電池腐蝕性液體、氣體等的影響，其強(qiáng)電部分與車體之間的絕緣容易出現(xiàn)損傷和破壞，使絕緣性能下降，電源正極、負(fù)極引線通過絕緣層性能下降，使底盤電位上升，不僅會危及乘客的人生安全，還將影響車內(nèi)電器的正常工作。增加絕緣檢測模塊，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測高壓電氣系統(tǒng)對車輛底盤絕緣性能也是絕緣防護(hù)的一種措施。其原理是以直流正、負(fù)母線對地的絕緣電阻來衡量，其值需大于100 Ω/V，才符合安全的要求。

3.2 電池的結(jié)構(gòu)防護(hù)

①電池箱體強(qiáng)度和穩(wěn)定性防護(hù)：電池箱的基本功能即容納和保護(hù)電池組，其結(jié)構(gòu)必須保證在大容量的容納空間基礎(chǔ)上滿足足夠的強(qiáng)度，以保證在非正常情況下的碰撞下保護(hù)里面的電池不受大力擠壓。同時(shí)考慮到節(jié)省布置空間，并滿足汽車多變的運(yùn)行環(huán)境，建議電池箱采用上下箱體結(jié)構(gòu)，電池箱內(nèi)部設(shè)計(jì)推薦使用框架結(jié)構(gòu)固定電池，對于大面結(jié)構(gòu)采用加強(qiáng)筋加強(qiáng)整體強(qiáng)度，并根據(jù)布置要求適當(dāng)調(diào)整。

②電池箱體IP等級防護(hù)：對于電池箱放置位置在車體外，電池箱外殼為第一防護(hù)層，其電池箱需要做全封閉防水設(shè)計(jì)，防水等級需達(dá)到IP67。在不影響防水等級的基礎(chǔ)上同時(shí)必須具備散熱系統(tǒng)，以保證密閉空間內(nèi)的溫度不至過高，有效地保護(hù)電池的安全和使用壽命。通風(fēng)和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則：

其一，進(jìn)風(fēng)口盡量位于車身風(fēng)源豐富，并且沒有其他熱源的位置，防止通風(fēng)不暢；其二，根據(jù)電池箱容量的大小和電池放熱特性匹配散熱風(fēng)流量，并保證足夠的安全系數(shù)；其三，電池箱內(nèi)部通過擋板等導(dǎo)流方式引導(dǎo)內(nèi)部氣流流向，保證每個(gè)單體電池充分散熱；其四，進(jìn)排風(fēng)口盡量位于電池的箱上部2/3以上的空間，避免運(yùn)行中有水進(jìn)入；其五，如遇突發(fā)故障，必須保障電池電源器斷電后散熱風(fēng)扇才切斷。

③動(dòng)力插頭的可靠性防護(hù)：對于有防水要求的電池，動(dòng)力的輸出是個(gè)難點(diǎn)。之前由于很少有防水的航插，只能通過在插接后在航插的外圍再做防水處理，這樣做不便于拆卸，并且可靠性也不強(qiáng)。隨著動(dòng)力汽車的快速發(fā)展，相關(guān)的動(dòng)力汽車電池用配套設(shè)備也有長足的發(fā)展，航插也不例外，目前市場上也越來越多專門針對防水要求的動(dòng)力電池，其不但能滿足防水的要求，并有自鎖功能，在未檢修的時(shí)候也能滿足快速拔插的功能。

④電池的頂端面安全防護(hù)：整組的動(dòng)力電池可能會由幾十個(gè)或更多的鋰電池串連或并聯(lián)，其大量連接件和電池本身的正極、負(fù)極都為裸露的，需要對其表面做一些絕緣處理，以減少裸露降低短路的風(fēng)險(xiǎn)，作為動(dòng)力電池考慮到裝配工藝，電池的頂面一般都為帶電裸露部分，對于頂面的防護(hù)尤為顯得重要?；镜淖龇ㄊ窍荣N一層耐高溫膠帶，在鋪設(shè)一層絕緣阻燃的青稞紙，在外面再蓋一層1～2 mm有一定機(jī)械強(qiáng)度厚的絕緣板，在這種防護(hù)下，即使頂面收到撞擊變形，也不會導(dǎo)致電池之間的短路。

4 結(jié) 語

本文主要講述了鋰離子電池的發(fā)展、分類、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，并分析了動(dòng)力汽車用鋰離子電池易出現(xiàn)的幾個(gè)安全性問題。為了保證動(dòng)力汽車安全的運(yùn)行，如何安全地防護(hù)，主要討論了從電池的絕緣防護(hù)和結(jié)構(gòu)防護(hù)兩大方面來展開，并提出有效的解決方案，從根本上杜絕不安全的因素，保證電動(dòng)汽車的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔勝民.新能源汽車概論[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[2] 李曉華.新能源汽車技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)、機(jī)遇和展望[J].電源技術(shù)，2012，（2）.

[3] GB/T 18384-2001，電動(dòng)汽車安全要求[S].

[4] IEC 60529-2013，國際電工標(biāo)準(zhǔn)[S].