車載鋰離子電池?zé)崾鹿试蚍治黾霸O(shè)計(jì)對策

袁學(xué)飛　谷捷　毛子夏　王麗偉　劉琦

摘 要：針對車載鋰離子動力電池組的特點(diǎn)和使用工況，對單體電池的熱失控機(jī)理及車載鋰離子動力電池組發(fā)生燃燒或爆炸等熱事故的外在原因包進(jìn)行分析與研究;最后，站到整車設(shè)計(jì)企業(yè)的視角，從電池箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池組的熱設(shè)計(jì)、BMS優(yōu)化設(shè)計(jì)、整車匹配性設(shè)計(jì)及加強(qiáng)元器件及原材料的選型等方面提出避免電池組燃燒或爆炸的設(shè)計(jì)對策。關(guān)鍵詞：鋰離子電池;熱事故;原因分析;設(shè)計(jì)對策中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-96-04

Abstract：?According to the characteristics and operating conditions of the li-ion battery package for vehicle， the thermal runaway mechanism of the battery cell and the external causes of thermal accidents such as combustion or explosion of the li-ion battery package?for vehicle are analyzed and studied. Finally， from the perspective of the vehicle design enterprise， the design measures to avoid the combustion or explosion of the battery package?are put forward from the structure?design of the battery box， the thermal design of the battery package， the BMS optimization design， the matching design of the vehicle and the selection of components and raw materials.Keywords： Li-ion battery;?Thermal accident;?Cause Analysis; Design measureCLC NO.： U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-96-04

前言

鋰離子電池能量密度高、排放環(huán)保、循環(huán)壽命長、自放電率小，已成為新能源汽車動力電池應(yīng)用的主流[1]。然而在使用過程中，頻頻發(fā)生鋰離子動力電池的燃燒或爆炸等熱事故，引起了政府、車企及行業(yè)其他人員的極大關(guān)注。提高動力電池的本質(zhì)安全性，成為保障新能源汽車行業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

針對車載鋰離子動力電池組（后簡稱為“電池組”）的組成與特點(diǎn)，分析了單體電池的熱失控機(jī)理;并根據(jù)車載電池組的使用工況，得出其發(fā)生熱事故的外在原因;最后從整車設(shè)計(jì)企業(yè)的角度，提出避免電池組燃燒或爆炸的設(shè)計(jì)對策。

1 電池組的組成及特點(diǎn)

電池組的構(gòu)成較為復(fù)雜，既有電池單體這類化學(xué)物體，也有復(fù)雜的電子電氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，還有傳統(tǒng)的各類機(jī)械部件。通常由電池單體、冷卻系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、線束、外殼及結(jié)構(gòu)件等構(gòu)成。從電池單體到電池組是一個復(fù)雜的過程，如電池之間的連接、電池的固定、絕緣處理、防水、防塵、防爆設(shè)計(jì)等[2]。電池組具備以下特點(diǎn)。

（1）能量密度高：按照當(dāng)前乘用車125Wh/kg的系統(tǒng)能量密度補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，以一輛純電動汽車裝載300kg動力電池進(jìn)行計(jì)算，總能量約為144 MJ，相當(dāng)于32kg TNT炸藥。

（2）輸出功率大：為了滿足整車的工作特性及效率要求，電池組的工作電壓通常高達(dá)400V甚至更高，正常工作電流達(dá)到數(shù)十甚至數(shù)百安培，瞬時短路放電電流更是成倍增加。

（3）應(yīng)用環(huán)境惡劣：在隨車行駛過程中，電池組通常要經(jīng)受高低溫、腐蝕性氣候、涉水、沖擊、振動、跌落、甚至碰撞和翻滾的惡劣環(huán)境。

2 電池組熱事故的原因

2.1 電池單體的工作原理

電池單體是電池組最基礎(chǔ)的組成元素，通常由正極、負(fù)極、電解液及隔膜構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]。

充電時，鋰離子從正極脫出，經(jīng)電解液穿過隔膜，嵌入負(fù)極，放電時則相反[3]?，其一般性的電化學(xué)反應(yīng)可描述為式（1）。中間的隔膜允許鋰離子在正、負(fù)極之間擴(kuò)散，并對正、負(fù)極進(jìn)行電氣隔離。

關(guān)于鋰離子電池材料的安全性，需要關(guān)注以下幾方面：（1）正極材料是鋰金屬氧化物，熱穩(wěn)定性差，過充時容易發(fā)生“析氧反應(yīng)”而產(chǎn)生氧氣，以三元材料尤為凸顯;（2）負(fù)極一般是嵌鋰碳，過放時容易產(chǎn)生枝晶鋰;（3）電解液多為碳酸酯類有機(jī)化合物的混合物，容易分解和氧化，著火點(diǎn)低，遇火極易燃燒;（4）隔膜多為微孔聚烯烴復(fù)合材料，熔點(diǎn)低，且高溫下易收縮[3]。

2.2 電池的熱失控機(jī)理

單體的隔膜起著正、負(fù)極之間的絕緣作用，一旦損壞將導(dǎo)致單體內(nèi)部發(fā)生正、負(fù)極短路，從而大電流放電并產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)熱量累積到一定程度時將發(fā)生熱失控，即溫度進(jìn)一步升高，正、負(fù)極之間的絕緣隔膜熔解，使內(nèi)部短路更嚴(yán)重，產(chǎn)生更多的熱量。溫度的不斷上升不僅會因達(dá)到反應(yīng)物的著火點(diǎn)而發(fā)生燃燒，還會加速活性物質(zhì)的反應(yīng)而產(chǎn)生大量的氣體，單體因內(nèi)壓急劇上升而引起爆炸。即使在正常的充、放電過程中，單體電解液中的活性物質(zhì)也會由于發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)而釋放熱量，使溫度升高。如果單體中產(chǎn)生熱量的速度大于散熱速度，當(dāng)熱量蓄積到一定程度時也會發(fā)生熱失控，導(dǎo)致燃燒或爆炸[3，4]。

電池組通常由成千上萬個單體通過串、并聯(lián)方式組合而成，在充、放電過程中，所有的單體都在同時工作和同時發(fā)熱，勢必產(chǎn)生大量的熱量。當(dāng)一只電池單體發(fā)生熱失控時往往會發(fā)生熱蔓延，產(chǎn)生的熱量會傳遞到其他單體并進(jìn)一步蔓延，情況惡劣時將導(dǎo)致整個電池組發(fā)生燃燒或爆炸。

2.3 電池組熱事故的外在原因

電動汽車的應(yīng)用環(huán)境往往較為惡劣，其車載電池組燃燒或爆炸的外在原因很多，主要包括以下方面。

2.3.1 電池內(nèi)短路

當(dāng)電池組由于意外狀況致使其中某些單體的絕緣隔膜損壞時，會導(dǎo)致正、負(fù)極短路。根據(jù)前述分析，這種內(nèi)短路會導(dǎo)致電池組燃燒和爆炸;而且一旦發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)短路，將無法阻止控制，外部保險(xiǎn)不起作用。如下工況可能發(fā)生電池內(nèi)部短路：a.動力電池受到強(qiáng)烈擠壓或被尖銳物體穿刺而遭受物理破壞;b.?正負(fù)極冗余度設(shè)計(jì)不足、電池低溫充電、大倍率充電等因素導(dǎo)致負(fù)極析鋰形成尖銳性的鋰枝晶，刺破隔膜引起正、負(fù)極短路; c.生產(chǎn)過程中的電池單體篩選不足或工藝紀(jì)律執(zhí)行不到位導(dǎo)致的內(nèi)部短路或電池單體漏液。

2.3.2 電池外短路

如果電池組的正、負(fù)極發(fā)生外部短路，短時間產(chǎn)生的巨大熱量將導(dǎo)致自身溫度迅速上升，使電池正、負(fù)極之間的絕緣隔膜變形或損壞，從而轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)短路[4]。電池外短路可能的情況包括：a. 汽車碰撞引起的電池變形;b.擠壓、碰撞、跌落或強(qiáng)力沖擊導(dǎo)致電池極片上的活性物質(zhì)剝落或某些部位的接線或焊點(diǎn)等折斷、脫落，從而引發(fā)電池組外短路[3];c.電池進(jìn)水導(dǎo)致外部短路;d.操作失誤導(dǎo)致電池的正、負(fù)極搭接;e.整車其它高壓電器的短路;f.導(dǎo)體污染或維護(hù)期間的電擊導(dǎo)致電池短路。

2.3.3 電池溫度過高

如果電池組溫度過高，將引發(fā)隔膜收縮熔化、電解質(zhì)分解甚至負(fù)極集流體熔化等引發(fā)一系列副反應(yīng)和熱力學(xué)問題，發(fā)生燃燒或爆炸事故[3]。動力電池溫度過高的工況很少獨(dú)立存在，可能是下列幾種情況的組合：a.自然環(huán)境溫度高，如炎熱的夏天;b.電池組散熱不充分;c.電動汽車長時間大功率行駛;d.動力電池受到外部火源炙烤。

2.3.4 過度充放電

當(dāng)電池組發(fā)生過充電時，電解質(zhì)會被分解，而使得電池內(nèi)部的溫度與壓力上升;當(dāng)發(fā)生過放電時，負(fù)極集流體會熔化而發(fā)生內(nèi)短路，使溫度上升。這兩種情況都會導(dǎo)致電池壽命縮短，嚴(yán)重時會發(fā)生燃燒或爆炸[2]。過度充放電可能的情況包括：a.充電機(jī)故障;b.電動汽車長時間大功率行駛或頻繁的再生回饋制動。

2.3.5 BMS監(jiān)控故障

BMS用來監(jiān)控整個電池組及單體的工作狀態(tài)，完成對充放電電流的控制，確保電池組安全運(yùn)行并最大程度上發(fā)揮效能，兼顧整車性能要求和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。BMS的全部或部分功能一旦失效，電池組可能會由于得不到有效監(jiān)控而工作在過充、過放、過熱等非正常狀態(tài)，產(chǎn)生熱失控而導(dǎo)致燃燒或爆炸。BMS監(jiān)控故障可能的情況包括：a.電壓、電流或溫度等關(guān)鍵傳感器失效;b.線束故障;c.SOC估算故障;d.電磁兼容的抗電磁干擾能力不足，導(dǎo)致BMS通訊失效。

3 避免電池組熱事故的設(shè)計(jì)對策

通過對電池組熱事故的原因分析，避免其發(fā)生的關(guān)鍵在于避免電池?fù)p壞、內(nèi)外部短路、溫度過高、過度充放電和BMS故障，從整車設(shè)計(jì)企業(yè)的視角出發(fā)，設(shè)計(jì)對策主要包括以下方面。

3.1 電池箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池箱是鋰離子電池的重要保護(hù)裝置，強(qiáng)壯的機(jī)械結(jié)構(gòu)可有效保障動力電池免受擠壓、穿刺和進(jìn)水。

（1）加強(qiáng)電池箱的強(qiáng)度和剛度，確保能可靠支撐自身重量，而且還要適應(yīng)多變運(yùn)行環(huán)境和行駛工況下的可靠性要求，并采用有限元方法對電池箱結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行分析[5-6]。

（2）進(jìn)行碰撞防護(hù)設(shè)計(jì)與分析，確保在碰撞過程中保持電池組的結(jié)構(gòu)完整性。一般通過設(shè)計(jì)正面、后部和側(cè)面等碰撞防護(hù)裝置，吸收或分散碰撞產(chǎn)生的沖擊能量，保護(hù)電池組免受擠壓和穿刺[5]。

（3）進(jìn)行密封防護(hù)設(shè)計(jì)，防護(hù)等級要達(dá)到IP67，避免車載電池組內(nèi)部進(jìn)水導(dǎo)致短路。

（4）電池組應(yīng)在整車規(guī)定的邊界和接口下進(jìn)行設(shè)計(jì)，且滿足電氣元件的絕緣防護(hù)要求。

3.2 電池組的熱設(shè)計(jì)

電池組在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱，必須對其進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，這對保證電池的壽命和安全運(yùn)行非常重要。熱設(shè)計(jì)一般包括散熱設(shè)計(jì)和熱防護(hù)設(shè)計(jì)，二者的設(shè)計(jì)理念互逆，要考慮它們的使用工況及相互影響，綜合應(yīng)用。

3.2.1 散熱設(shè)計(jì)

電池組需要合理的散熱裝置對工作過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行疏散，有以下措施。

（1）均衡布置：在進(jìn)行電池單體內(nèi)部布局時，盡可能使電流密度均勻，盡量弱化電池內(nèi)部自身溫度不平衡的狀態(tài)，確保使用過程中電池本體溫度變化一致;

（2）冷卻方式的選擇：準(zhǔn)確評估每塊電池表面的發(fā)熱量、溫度和流速，選擇科學(xué)、合理的冷卻結(jié)構(gòu)，使整個電池組的溫度場得以均勻，以保證電池組使用過程中的環(huán)境一致性。常用的冷卻方法包括使用氣體、液體、冷凍劑或相變材料進(jìn)行冷卻[2]。

3.2.2 熱防護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)一只電池單體發(fā)生熱失控時會發(fā)生熱蔓延，產(chǎn)生的大量熱量會傳遞到其他單體，將導(dǎo)致整個電池組發(fā)生熱失控，因此，需要通過熱防護(hù)手段阻斷熱蔓延。常用的方法是在電池單體之間設(shè)置隔熱層，阻斷熱量從熱失控的單體向周圍其他單體傳播，避免整個電池組發(fā)生燃燒或爆炸[5]。

3.3 BMS優(yōu)化設(shè)計(jì)

溫度過高是電池組熱失控的一個主要原因，BMS能夠有效監(jiān)測動力電池內(nèi)部的溫度及其它工作狀態(tài)，并在溫度超限時實(shí)行有效的散熱，可有效避免燃燒或爆炸事故。因此，在電池組的材料確定之后，先進(jìn)的BMS可有效保障電池組安全性。設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素包括：

（1）嚴(yán)格控制保護(hù)參數(shù)和閥值并采用分級處理和保護(hù)，根據(jù)報(bào)警類別和等級采取相應(yīng)的控制策略;通過總線報(bào)警、輸出降功率、切斷直流母線等措施，即可避免事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大，又能避免對電池組造成致命損壞。

（2）合理布置電池組的各類傳感器，準(zhǔn)確反映其真實(shí)工作狀態(tài)，使得BMS控制策略有效發(fā)揮。包括：a.監(jiān)控電池組的工作溫度，嚴(yán)格控制其工作在20℃-45℃之間，避免低溫充電析鋰及高溫?zé)崾Э?b.監(jiān)控電池的充電狀態(tài)，限制過充或欠充;c.監(jiān)控電池組的絕緣指標(biāo)及漏電情況，及早識別由于電池變形、漏液或其它情況下發(fā)生的絕緣失效。

（3）電池組均衡設(shè)計(jì)：確保電池單體之間的電壓均衡，能有效提高電池組的安全性和整體性能，延長使用壽命。常用的充放電均衡方式包括：a.被動式均衡技術(shù)，是在單體電池上并聯(lián)電阻，將能量高的電池的多余能量通過電阻消耗進(jìn)行放熱，直到該電池的狀態(tài)與其它一致，此方法也稱為能量耗散型均衡。這種方式結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本低，缺點(diǎn)是效率較低且浪費(fèi)動力電池的能量。b.主動式均衡技術(shù)，是能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，把能量多的電池的能量轉(zhuǎn)移到能量少的電池。此方法因?yàn)闆]有能量損耗而得到廣泛應(yīng)用[2]。

（4）加強(qiáng)BMS的電磁兼容設(shè)計(jì)，提高抗干擾能力，避免導(dǎo)致BMS通訊失效帶來的控制失效。

（5）實(shí)時有效的監(jiān)測或評估電池組的荷電狀態(tài)SOC、健康狀態(tài)SOH、安全狀態(tài)SOF、功率狀態(tài)SOP等情況，保持電池組的安全運(yùn)行，精確的狀態(tài)估計(jì)，是動力電池恰當(dāng)使用的前提。

3.4 整車的匹配性設(shè)計(jì)

加強(qiáng)電池組的安全性防護(hù)，絕非動力電池組本身的事情，整車設(shè)計(jì)企業(yè)應(yīng)該與之進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。從整車設(shè)計(jì)的初始階段，就開始規(guī)劃電池組的規(guī)格和參數(shù)，牽引動力電池廠進(jìn)行電池組的總體設(shè)計(jì)，并共同確定整車控制策略及BMS策略，搭建整車仿真模型。

3.4.1 整車的機(jī)械設(shè)計(jì)

綜合評估和確定動力電池組在整車中的安裝位置，保證周圍有足夠的變形緩沖區(qū)，確保即使發(fā)生車輛碰撞，也不易直接碰撞到動力電池表面。對動力電池組托架及連接件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，并留有足夠的裕量。從整車設(shè)計(jì)的角度提高動力電池組的耐撞性，減小車輛在不同方向碰撞時對動力電池組的能量侵入量，最大程度的避免鋰離子動力電池受到擠壓和穿刺。Sibz W等從碰撞防護(hù)的角度研究了電池組在整車中的結(jié)構(gòu)布局、設(shè)計(jì)約束及安裝位置，經(jīng)過仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)電池組安裝在乘員座椅下方較合理，有利于增加載荷傳遞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并降低電池箱變形 [7-8]。

3.4.2 整車控制策略設(shè)計(jì)

整車控制器是BMS的指揮官，BMS的控制邏輯與整車的控制策略息息相關(guān)。在整車控制策略中設(shè)計(jì)完善的電池組保護(hù)功能可有效保障電池的安全，有以下關(guān)注點(diǎn)：

（1）綜合分析整車的行駛工況及駕駛員意圖，并根據(jù)控制邏輯制定合理的電池組使用條件及上、下電流程。

（2）與BMS協(xié)同，嚴(yán)格控制電池組保護(hù)參數(shù)和閥值，并采用分級保護(hù)機(jī)制。

（3）設(shè)計(jì)合理的能量管理控制策略和再生回饋制動邏輯，使能量得到有效和合理的利用，同時避免電池組發(fā)生過充現(xiàn)象。

3.4.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷

電動汽車駕駛員或使用者通常無法第一時間直接感知電池組的預(yù)警信息，也無法進(jìn)行直接干涉，建立電池組的熱事故預(yù)警機(jī)制十分必要。目前，各車企均搭建了自己的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，用以監(jiān)測企業(yè)車輛的運(yùn)營狀態(tài)。在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺中融入故障診斷策略和預(yù)警機(jī)制，通過實(shí)時監(jiān)控電池組的狀態(tài)信息及車輛其它零部件的綜合參數(shù)，運(yùn)用專家信息庫對車輛信息進(jìn)行綜合分析和診斷，得出有關(guān)電池組的故障結(jié)論、預(yù)警信息及處理方式，以短信和郵件的形式及時通知到車企負(fù)責(zé)人、運(yùn)行商管理者及駕駛員，使得電池組故障得以第一時間處理，避免事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大。遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷既可有效預(yù)防電池組熱事故，也為產(chǎn)品研發(fā)和售后服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.5 元器件及原材料選型

電池組的內(nèi)部元器件選型不合理或質(zhì)量等級不足往往會導(dǎo)致安全隱患，如電池單體的關(guān)鍵材料、熔斷器、關(guān)鍵監(jiān)測傳感器、功率控制開關(guān)或接插件一旦失效，會造成控制策略失效或危險(xiǎn)回路不能及時切斷等情況，導(dǎo)致電池組燃燒或爆炸。作為車載儲能設(shè)備，電池組的單體應(yīng)采用熱穩(wěn)定性高的電極活性材料和電解質(zhì)并進(jìn)行一致性篩選，BMS中的電子元器件應(yīng)首選國內(nèi)外知名企業(yè)的汽車級產(chǎn)品，其次為工業(yè)級。

4 結(jié)論

針對車載鋰離子動力電池組的組成與特點(diǎn)，分析研究得出以下結(jié)論：單體電池的熱失控機(jī)理為其絕緣隔膜損壞或自身化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不能快速釋放而發(fā)生單體內(nèi)部短路;車載鋰離子動力電池組發(fā)生熱事故的外在原因包括電池內(nèi)短路、外短路、電池溫度過高、過度充放電和BMS監(jiān)控故障;最后，站到整車設(shè)計(jì)企業(yè)的視角，從電池箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池組的熱設(shè)計(jì)、BMS優(yōu)化設(shè)計(jì)、整車匹配性設(shè)計(jì)及加強(qiáng)元器件及原材料的選型等方面提出避免電池組燃燒或爆炸的設(shè)計(jì)對策。

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