電動汽車鋰電池熱失控測控技術(shù)

高俊祥

摘要：鋰電池熱失控引起的電池爆燃事故是電動汽車的重大安全隱患，到目前為止還沒有有效的解決辦法?，F(xiàn)有研究表明，只要鋰電池的產(chǎn)熱速度低于散熱速度，熱失控就不會發(fā)生。鋰電池熱失控實驗顯示，熱失控發(fā)生時溫升速率明顯增加。以溫升速率指標建立鋰電池熱失控判斷系統(tǒng)，以熱平衡原理設計冷卻防火系統(tǒng)，以判斷結(jié)果驅(qū)動冷卻防火系統(tǒng)噴灑適量的冷卻防火介質(zhì)，實現(xiàn)足夠的散熱速度，可以中止熱失控進程，為有效防控熱失控提供了積極的解決思路。

關鍵詞：鋰電池;熱失控;溫升速率;判斷系統(tǒng);冷卻防火

0? 引言

近年來，電動汽車因其滿足節(jié)能環(huán)保綠色出行的理念得到了快速發(fā)展，連續(xù)5年產(chǎn)銷占比全球第一。2019年12月，《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》征求意見稿提出，2025年，新能源汽車新車銷量占汽車總銷量比例達25%左右，2019年該比例為4.7%，未來6年有超5倍的增長，空間巨大，同時也說明完成的任務比較艱巨。為了促進電動汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，影響人們購車的顧慮必須盡快消除。2018年前10月，國內(nèi)發(fā)生40起新能源汽車起火事故，鋰電池熱失控是引發(fā)電動汽車安全事故的關鍵因素[1]，是電動汽車消費的重大顧慮[2]。

1? 熱失控機理

現(xiàn)有研究表明，鋰離子電池在自身因素和外部誘發(fā)的情況下，如果電池的產(chǎn)熱速度大于散熱速度，電池的溫度會逐步升高。當溫度升高到某一數(shù)值時，電池的SEI膜、正極材料、電解液發(fā)生熱分解，產(chǎn)生大量的熱量和小分子氣體如CO、HF、H2、CH4。熱量和氣體的快速積聚又加劇了材料的分解反應，如此相互強化循環(huán)，溫度上升加速，形成熱失控。在極短的時間內(nèi)，電池內(nèi)部溫度和壓力達到極限值，電池爆炸，電解液和氣體噴出燃燒，產(chǎn)生火災。導致熱失控的自身因素主要是電池材料的熱穩(wěn)定性不高，熱分解點低，外部誘發(fā)主要指散熱不良、過充過放、持續(xù)大電流沖擊、機械撞擊、環(huán)境溫度過高等。

2? 熱失控防控措施

從熱失控的反應鏈可知，除了強化國家相關標準以外，可采取提高電池自身性能、杜絕誘發(fā)因素和加強散熱性能的技術(shù)措施來預防熱失控。

2.1 強化國家標準

新能源汽車在世界范圍內(nèi)是新生事物，在我國是新興產(chǎn)業(yè)，相關的安全標準在逐步建立和完善[3]。健全的安全標準體系是電池安全的基本保障，涵蓋電池的生產(chǎn)、測試、使用和回收環(huán)節(jié)。隨著整車性能要求的提高和電池技術(shù)的進步，原有標準會及時修訂，新的標準會相應推出。

2.2 提高電池安全性能

提高電池的安全性能包括電池生產(chǎn)和電池材料兩個方面，電池生產(chǎn)主要是保證電池的一致性，材料包括正極、負極、電解液、隔膜。

2.2.1 一致性要求

電動汽車用動力電池的整體性能取決于電池組中性能最差的單體電池，因此，各單體電池的性能一致能最大程度確保發(fā)揮動力電池的最佳性能。動力電池的一致性包括容量一致性、內(nèi)阻一致性、電壓一致性。如果某個單體單體電池的初始容量大或者是小，那么在充電時該單體電池就很容易過充或者放電時最先過放，從而產(chǎn)生熱失控。同樣，內(nèi)阻的一致性和電壓的一致性，對動力電池安全的影響巨大。

2.2.2 動力電池材料性能

從動力電池安全角度來講，動力電池材料性能主要指材料的導電性、導熱性和熱穩(wěn)定性，其中尤以熱穩(wěn)定性最為突出。為防止熱失控的產(chǎn)生，研究人員通過不同方法來提高材料的熱穩(wěn)定性[4]。對于電解液，可通過添加功能添加劑、用離子液體取代有機溶劑、選擇熱穩(wěn)定性好的鋰鹽、采用聚合物電解質(zhì)的方法提高熱穩(wěn)定性。正極與電解液反應是熱失控的主要原因，選用MgO、A12O3、ZnO、SiO2、TiO2等物質(zhì)對正極材料進行表面包覆，可提高正極材料的安全性。中間相碳微球（MCMB）的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較層狀石墨更好。隔膜在高溫下產(chǎn)生熱縮變形會增大微孔的尺寸，更有利于鋰離子的遷移，加快熱失控進程。可通過熱穩(wěn)定性隔膜替代，也可采用添加少量Al2O3或SiO2納米粉的隔膜，提高隔膜的熱穩(wěn)定性。

2.3 改善BMS性能

BMS稱為電池管理系統(tǒng)，其作用是監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度、電量，防止電池過電流、過充、過放、過溫，一旦發(fā)現(xiàn)有這些情況的發(fā)生，就會中止充電進程，或者切斷電池對外供電，一定程度上能降低發(fā)生熱失控的幾率。但對電池內(nèi)部短路，比如枝晶、針刺引起的內(nèi)部短路，以及已經(jīng)發(fā)生的熱失控，BMS無能為力。

2.4 改善散熱性能

熱失控反應鏈表明，如果電池產(chǎn)熱速度低于散熱速度，則溫度的自我強化循環(huán)就建立不起來，熱失控就不會產(chǎn)生。為此，陳潔[5]等研究了基于熱管冷卻的熱防護結(jié)構(gòu)對防止熱失控的性能，整個熱防護結(jié)構(gòu)由電池組、隔熱板、熱管組、冷卻介質(zhì)組成。在兩相鄰單體電池之間放置熱管組或隔熱層，熱管組中的銅片襯于熱管和單體電池之間，以增大散熱面積，依靠熱管組中液體的相變吸熱完成冷卻作用，隔熱板置于兩相鄰單體電池之間，用于隔離相鄰單體電池之間的熱傳遞。通過優(yōu)化隔熱措施和冷卻方式可有效提高電池組工作溫度的穩(wěn)定性，阻斷熱失控傳播。

該結(jié)構(gòu)對降低熱失控的發(fā)生概率有一定作用，但效果有限，且加大了電池組的體積，增加了重量。

3? 基于熱平衡的熱失控測控系統(tǒng)設計

基于熱平衡的熱失控測控系統(tǒng)的效果取決于及時判斷熱失控的產(chǎn)生和散熱能力。如能在熱失控剛發(fā)生時起動散熱裝置，就能在相對低溫點開始強力散熱，增加了散熱時間，加大了散熱量，從而中止熱失控進程。

3.1 熱失控的早期判斷

皇甫趁心[6]和羨學磊[7]等通過熱失控試驗發(fā)現(xiàn)，電池的溫升速率的變化可準確反映熱失控進程，是表征熱失控的最佳指標。無論是針刺還是過充，熱失控時電池的溫升速率都是增加的。為此，可建立電池的溫度監(jiān)測網(wǎng)絡，計算電池的溫升速率變化，以鋰電池的溫升速率為依據(jù)，判斷熱失控的產(chǎn)生，為在電池爆破之前，贏得寶貴的冷卻時間。測控系統(tǒng)設計如圖1所示。

電動汽車實際應用的動力電池，是由若干個單體電池串聯(lián)組成一個電池組，再由若干電池組串聯(lián)構(gòu)成車用動力電池，采用BMS對動力電池進行監(jiān)測保護。一般用一個電池管理單元BMU對2個電池組進行監(jiān)測，一個BMS包含2個以上的BMU，監(jiān)測的指標有單體電池的溫度、電壓等。因此，本熱失控測控系統(tǒng)可利用隨車的BMS的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)熱失控判斷單元計算每個單體電池的溫升速率。由于BMS技術(shù)相對成熟，這樣可提高測控系統(tǒng)的可靠性。只要任意一個BMU輸出的溫度的溫升速度增加即速率大于零，則系統(tǒng)判斷該電池組中發(fā)生了熱失控，隨即啟動冷卻泵，泵送冷卻介質(zhì)。同時，該電池組的電磁閥被接通，冷卻介質(zhì)被噴向該電池組，使電池組快速降溫，從而中止熱失控進程，避免電池爆燃事故的發(fā)生。如果幾個電池組均發(fā)生了熱失控，系統(tǒng)會使所有電池組快速降溫，保證整個動力電池不發(fā)生惡性事故。

3.2 冷卻介質(zhì)和滅火劑的選用

3.2.1 冷卻介質(zhì)的選用

車用鋰電池發(fā)生熱失控時會積聚巨大的熱量，因此，在保證冷卻液的流量足夠大的同時，還應使冷卻液具有良好的導熱性，才能及時帶走電池產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)電池溫度的下降。

3.2.2 滅火劑的選用

如果鋰電池的熱失控反應過于激烈，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)冷卻能力不足的問題，則熱失控依然有發(fā)展為電池爆燃事故的可能性，所以，為保障電動汽車的安全，對熱失控除了采取冷卻降溫措施之外，還應預設滅火裝置。為此，鋰電池安全保護裝置需設置火焰?zhèn)鞲衅鳎敯l(fā)現(xiàn)有明火時，滅火裝置及時噴灑滅火劑，預防災害的擴大。

鋰電池起火不同于普通的火災，有他的特殊性，對他的滅火研究還是一個新的課題。只要鋰電池熱失控反應鏈沒有被中止，實施滅火措施后電池的溫度還是很高，可燃氣體和電解液會不斷噴出，如果此時停止冷卻液的噴射，則電池會發(fā)生復燃的二次災害。研究表明[8]，二氧化碳、ABC干粉、水成膜泡沫滅火劑通過窒息、化學抑制、隔離和部分冷卻等方式可撲滅鋰離子電池明火，但細水霧卻不能有效滅火。原因在于，細水霧霧滴直徑小，在熱失控持續(xù)放熱、釋放可燃氣體和氧氣的情況下，其受熱蒸發(fā)的冷卻滅火和蒸汽隔絕空氣的窒息滅火效果大大減弱。上述滅火劑在阻止復燃能力方面，水成膜泡沫滅火劑相對較好，滅火后出現(xiàn)復燃的時間最長。因此，從安全角度考慮，在傳統(tǒng)的滅火劑種類中，細水霧不適合用于鋰電池滅火，應選擇水成膜滅火劑。

4? 總結(jié)

①基于熱失控反應機理，在鋰電池材料的熱性能沒有得到根本性改變之前，熱失控是鋰電池的基本屬性，無法完全避免，從熱平衡角度建立熱失控判斷及防控系統(tǒng)具有極大的應用價值。

②鋰電池的溫升速率能同步明顯反映熱失控過程，是判斷熱失控的最佳指標。作為防控熱失控的完整方案，在設置冷卻裝置的同時，還要預設滅火裝置。為防止復燃，在滅火的同時，冷卻裝置不應停止工作。

③對滅火劑的選擇，在現(xiàn)有種類中，優(yōu)先選用水成膜滅火劑。

參考文獻：

[1]張少禹，董海斌，李毅，等.動力鋰離子電池熱失控火災試驗模型研究[J].消防科學與技術(shù)，2018，37（3）：397.

[2]張厚明，赫榮亮，周禛.我國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢展望及對策研究[N].中國能源報，2019-2-11（006）.

[3]王雄，鮑建勇，王新.電動汽車鋰離子電池燃燒風險與控制[J].汽車文摘，2020（4）：5-6.

[4]程琦，蘭倩，趙金星，等.鋰離子電池熱失控原因及對策研究進展[J].江漢大學學報（自然科學版），2018，46（1）：12-15.

[5]陳潔，楊燦，竇汝振，等.車用動力電池熱防護與散熱集成研究[J].汽車工程學報，2017，7（3）：168-174.

[6]皇甫趁心.動力鋰電池火災熱失控早期探測技術(shù)及裝置開發(fā)[D].福建：華僑大學，2018：1-38.

[7]羨學磊，董海斌，張少禹，等.三元鋰離子動力電池熱失控及火災特性研究[J].儲能科學與技術(shù)，2020，9（1）：240-247.

[8]李毅，于東興，張少禹，等.典型鍵離子電池火災滅火試驗研究[J].要全與環(huán)境學報，2015，15（6）：121-124.