鋰離子動力電池系統(tǒng)熱失控檢測方法和技術(shù)綜述*

李愷翔，王珺瑤，李士戎

（1.廣州汽車集團汽車工程研究院，廣東 廣州 510640；2.廣汽埃安新能源汽車有限公司，廣東 廣州 511434；3.中山大學(xué)低碳科技與經(jīng)濟研究中心，廣東 廣州 510006；4.山西省消防救援總隊，山西 太原 030001）

當前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃發(fā)展，汽車與能源、交通、信息通信等領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)加速融合，電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展潮流和趨勢。汽車產(chǎn)品形態(tài)、交通出行模式、能源消費結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻變革，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)提供了前所未有的發(fā)展機遇?？梢灶A(yù)見，新能源汽車將成為全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要方向和促進世界經(jīng)濟持續(xù)增長的重要引擎。

目前，電動汽車動力電池向高能量密度和超級快充技術(shù)發(fā)展，隨之帶來更高的熱負荷對電池系統(tǒng)設(shè)計提出新的挑戰(zhàn)，同時電動汽車熱失控導(dǎo)致消費者對電池的安全焦慮日趨嚴重。

電動汽車安全全球技術(shù)法規(guī)（EVS-GTR）和我國工業(yè)和信息化部發(fā)布的《電動汽車用動力蓄電池安全要求》均提出強化安全監(jiān)測及預(yù)警功能，在發(fā)生熱失控時需向乘員發(fā)出熱事件預(yù)警并提示離車[1]。為最大程度避免或減少熱失控事故的發(fā)生，需要利用傳感器技術(shù)對電池工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控和檢測。根據(jù)電池正常工作狀態(tài)和異常產(chǎn)熱狀態(tài)各物理量變化，目前常用的檢測信號有電壓、溫度、煙霧、特征氣體、氣壓等，還有聲學(xué)、膨脹力等前沿檢測方法。針對鋰離子動力電池熱失控的特點，本文梳理和對比了各類傳感器的工作原理和性能差異，同時設(shè)計和分析了各類組合方案，以期為工程應(yīng)用和設(shè)計開發(fā)者提供參考。

1 電池熱失控檢測方法分析

1.1 電壓檢測

電壓信號是電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）工作的基礎(chǔ)信號，熱失控檢測一般復(fù)用模組內(nèi)的單體電壓采集信號。目前，在電池模組中通常采用柔性印刷電路板 （Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC）來進行溫度和電壓信號的采集，采樣精度可實現(xiàn)1~3 mV。當電池發(fā)生熱失控時，內(nèi)熱源使得電池自體溫度迅速上升，當電池隔膜（聚烯烴多孔膜）溫度超過110℃時開始收縮、穿孔[2]，造成電芯內(nèi)短路從而無法保持電壓，出現(xiàn)電芯電壓迅速下降的情況。因此，根據(jù)電壓值變化或電壓變化率可判斷電池熱失控的發(fā)生。電壓觸發(fā)條件及推薦閾值見表1。

表1 電壓觸發(fā)條件及推薦閾值

但在工程應(yīng)用方案中很難以電壓作為熱失控判斷的唯一依據(jù)，原因為：一是電芯串并聯(lián)成組使用時，如果電芯以并聯(lián)方式連接，熱失控電芯電壓下降會被并聯(lián)電芯（未發(fā)生熱失控）電壓覆蓋，無法及時報出電壓過低或壓降過快信號，需與之并聯(lián)的電芯全部發(fā)生熱失控后才會出現(xiàn)電壓降低；二是BMS主板或從板受干擾或發(fā)生采樣故障時，電壓信號異常導(dǎo)致熱失控預(yù)警誤觸發(fā)；三是電池系統(tǒng)大功率放電時（如上坡或急加速工況），由于電池極化，單體電芯電壓迅速下降導(dǎo)致熱失控預(yù)警誤觸發(fā)。根據(jù)中國科學(xué)院相關(guān)研究結(jié)果，電池電壓下降速率特征參數(shù)報警閾值應(yīng)不低于0.05 V/s[3]。

1.2 溫度檢測

電池熱失控作為典型的熱失效故障，最直接的量化判斷依據(jù)就是溫度信號。熱失控檢測一般復(fù)用模組內(nèi)FPC溫度采集信號，常用的FPC溫度傳感器為負溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）傳感器，采樣精度為0.1℃。目前絕大多數(shù)工程應(yīng)用方案受BMS通道數(shù)和成本限制，無法對模組內(nèi)每一顆電芯進行溫度監(jiān)控，一般每個模組布置2~4個溫度傳感器來監(jiān)測電池溫度狀態(tài)。

當電池發(fā)生熱失控時，內(nèi)熱源使得電池自體溫度迅速上升，熱量傳導(dǎo)至電芯頂部NTC位置，靠近熱失控電芯位置的溫度信號超出正常工作范圍。因此，根據(jù)溫度值變化、溫度變化率或各點溫度差異可判斷電池熱失控的發(fā)生。溫度觸發(fā)條件及推薦閾值見表2。

表2 溫度觸發(fā)條件及推薦閾值

與電壓參數(shù)類似，在工程應(yīng)用方案中很難以溫度信號作為熱失控判斷的唯一依據(jù)，原因為：一是熱傳導(dǎo)需要一定時間，如溫度傳感器遠離熱失控電芯，則溫度信號變化相應(yīng)延遲；二是BMS主板或從板受干擾或發(fā)生采樣故障時，溫度信號異常導(dǎo)致熱失控預(yù)警誤觸發(fā)；三是電池系統(tǒng)大功率放電時（如上坡或急加速工況），由于電芯或集流體、匯流排、銅排等附件產(chǎn)熱，NTC溫度信號快速上升導(dǎo)致熱失控預(yù)警誤觸發(fā)；四是電池熱管理系統(tǒng)失效，如水泵堵轉(zhuǎn)引起電池系統(tǒng)局部溫度過高導(dǎo)致熱失控預(yù)警誤觸發(fā)。

1.3 氣壓檢測

除電壓、溫度這類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，電池包內(nèi)的氣壓信號也可用于熱失控檢測，在工程應(yīng)用領(lǐng)域是使用電池包內(nèi)放置的氣壓傳感器進行檢測。電池包通過殼體上布置的透氣閥可實現(xiàn)內(nèi)外氣壓平衡，即正常工作的電池包內(nèi)氣壓應(yīng)與外界大氣壓力一致，為101 kPa。當單體電池發(fā)生熱失控釋放大量高溫氣體后，電池包內(nèi)氣壓快速上升，一般會到120 kPa以上[4]，觸發(fā)電池包的泄壓閥（防爆閥）后，氣壓快速回落。隨后第二個單體發(fā)生熱失控之后，氣壓會再次上升。氣壓觸發(fā)條件及推薦閾值見表3。

表3 氣壓觸發(fā)條件及推薦閾值

工程測試結(jié)果表明，氣壓傳感器誤判概率極低，即監(jiān)測到電池包內(nèi)氣壓突增極大概率是電芯發(fā)生了熱失控，但其漏判概率較高，原因為：一是由小型電芯組成的電池系統(tǒng)如18650電池，其單體電芯熱失控產(chǎn)氣和溫度較低[5]，無法引起氣壓大幅度上升，可能無法達到觸發(fā)條件；二是電池熱失控引起的壓力峰值保持時間較短，一般為100 ms，隨后高溫氣體隨電池包殼體配備的低壓防爆閥（一般開啟壓力為3~5 kPa）排出，避免爆炸風險。傳感器因采樣頻率限制可能無法捕捉一過性的高壓信號。

1.4 煙霧檢測

煙霧傳感器廣泛應(yīng)用于火災(zāi)安全檢測。光電煙霧傳感器內(nèi)有一個光學(xué)迷宮，安裝有紅外燈管，無煙時紅外接收管收不到紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光。當煙塵進入光學(xué)迷宮時，通過折射、反射，接收管接收到紅外光，通過報警電路判斷是否超過閾值并發(fā)出警報。電池熱失控時發(fā)生劇烈的燃燒和爆炸，釋放出大量的固體和液體顆粒，其中以由電池極片（正極活性材料和負極石墨）產(chǎn)生的碳粉末為主。根據(jù)美國航空航天局（NASA）的研究結(jié)果[6]，以NCM 18560鋰離子電池為例，電池熱失控時煙氣顆粒的平均直徑為5μm，顆粒物中包含多種有機成分和無機成分，可在電池包內(nèi)形成穩(wěn)定的氣溶膠。煙霧隨氣流擴散到電池包傳感器位置，觸發(fā)煙霧報警可實現(xiàn)熱失控檢測功能。煙霧觸發(fā)條件及推薦閾值見表4。

表4 煙霧觸發(fā)條件及推薦閾值

空氣中的粉塵濃度一般不超過1 000μg/m3，為避免熱失控誤報，傳感器報警閾值一般標定為≥5 000μg/m3。煙霧傳感器在工程應(yīng)用領(lǐng)域的局限性主要有：一是部分配備冷媒制冷系統(tǒng)的電池包在高溫高濕地區(qū)啟動冷卻時在傳感器表面產(chǎn)生凝露，引發(fā)誤報；二是由于熱失控煙霧隨氣流路徑擴散，若傳感器未布置在氣流路徑上會造成一定概率延遲或漏報。

1.5 特征氣體和揮發(fā)性有機化合物檢測

在電池熱失控前的熱濫用階段，電芯內(nèi)部會發(fā)生劇烈反應(yīng)而產(chǎn)生氣體，其中以電解液六氟磷酸鋰（LiPF6）、 碳酸甲乙酯（EMC）、 碳酸二乙酯（DEC）、碳酸乙烯酯（EC）的分解為主。此時電芯內(nèi)部壓力不斷增加，當超過電芯防爆閥開啟壓力（0.8~1.1 MPa）后有機蒸汽噴出并劇烈燃燒，由此產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物主要有甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷等[7-10]。除揮發(fā)性有機物外，某些成分占比較高的氣體也可作為特征氣體用于熱失控檢測，如一氧化碳、氫氣，見圖1。

圖1 鋰離子電池熱失控產(chǎn)氣各成分體積占比

氣體檢測在工程應(yīng)用中需注意根據(jù)電池熱失控特點進行針對性的傳感器標定，如磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池熱失控產(chǎn)氣成分具有較大差異[11]。同款電芯在不同荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）下成分占比也有較大差異[12]，見第45頁表5。

表5 不同SOC下產(chǎn)氣成分情況 （%vol）

此外還需要注意電池包作為密閉空間，電池系統(tǒng)其他附件釋放的氣體對傳感器的影響，如以一氧化碳為特征氣體的傳感器易被電池模組中普遍使用的結(jié)構(gòu)膠所釋放的乙烯成分干擾（最大偏差可達1 000×10-6）。另外銅排絕緣層在高溫條件下（如超級快充）釋放的揮發(fā)性有機化合物成分也可能造成傳感器誤判。

1.6 膨脹力檢測

鋰離子電芯在制造和使用過程中會有膨脹現(xiàn)象，主要原因是電池充放電過程中鋰離子嵌入/脫出帶來的厚度變化，電芯充電時鋰離子從正極脫出嵌入負極引起負極層間距增大導(dǎo)致材料膨脹，電芯越厚其膨脹量越大，對應(yīng)的膨脹力也越大。一些前瞻研究結(jié)果表明，鋰電池熱失控前的膨脹力較正常充放循環(huán)有顯著差異[13-16]，通過傳感器標定區(qū)分正常和異常膨脹力變化范圍可有效預(yù)警熱失控的發(fā)生。

模組膨脹力傳感器一般采用外置式和內(nèi)置式兩類測量方案，見第45頁圖2。外置式通過模組端板和側(cè)板相對形變量換算電芯膨脹力，而內(nèi)置式直接通過薄膜式壓電傳感器來測量電芯膨脹力。在工程應(yīng)用過程中，膨脹力檢測的傳感器標定還面臨較大的技術(shù)瓶頸，具體體現(xiàn)在：一是不同電池體系的膨脹力變化具有較大差異，如磷酸鐵鋰電池的膨脹力明顯小于三元鋰電池；二是相同電池體系電池采用不同負極體系的電池具有較大差異，如同樣采用811三元正極材料的電池配合硅碳負極材料使用時膨脹力會明顯大于石墨體系負極[17]；三是不同SOC下的膨脹力變化，以三元523電芯為例，一般在80%SOC時測得最大膨脹力；四是不同電池健康狀態(tài)（State of Health，SOH）下的膨脹力變化，相同SOC下一般電芯循環(huán)壽命末期膨脹力會明顯大于新電芯[18]；五是不同溫度條件下的膨脹力變化，低溫狀態(tài)下的電池膨脹力隨之降低；六是震動沖擊條件對傳感器采樣的影響，當膨脹力傳感器（一般為應(yīng)力應(yīng)變傳感器）受到各方向加速度和震動時測量結(jié)果會有一定程度的偏移。

圖2 模組膨脹力傳感器布置方案

1.7 聲學(xué)檢測

對電池進行聲學(xué)檢測屬尚未產(chǎn)業(yè)化的前瞻學(xué)術(shù)研究。圖3為聲學(xué)檢測麥克風布置方式，研究人員將特制麥克風安裝在軟包電池鋁塑膜表面，通過無背景噪聲環(huán)境檢測電池充放電過程中產(chǎn)生的聲波，經(jīng)聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）分析，可分離出電池副反應(yīng)的聲波波形。有效檢測包括檢測電極材料開裂/塌陷、固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜）增厚、負極析鋰等影響電池安全的因素[19]。通過AE分析可區(qū)分出一個潛在的負極鋰枝晶析出起始點，見圖4。負極鋰枝晶生長會刺破電池隔膜，造成電芯內(nèi)短路從而引發(fā)熱失控[20]。

圖3 聲學(xué)檢測麥克風布置方式

圖4 電池充放電循環(huán)過程中出現(xiàn)的負極析鋰

熱失控聲學(xué)AE檢測雖然可以將熱失控預(yù)警時間大幅提前，但在工程應(yīng)用領(lǐng)域還有大量工作需要完善，包括：一是聲學(xué)檢測環(huán)境要求無背景噪聲，在行車過程中可能無法工作；二是BMS電路等產(chǎn)生的規(guī)律性噪聲信號需要被妥善過濾；三是高解析度的車規(guī)級麥克風傳感器目前成本較高。

2 各方案對比及組合策略

通過分析對比上述7類熱失控信號源檢測方法的各自優(yōu)勢和缺陷，本文從預(yù)警提前量、檢測速度、誤報概率、漏報概率、適用性、成本等方面進行綜合評估，評估結(jié)果見表6。

表6 熱失控判斷信號比較

由于單一傳感器信號無法涵蓋所有檢測需求，故在工程應(yīng)用中要對上述信號進行組合校驗。表7展示了幾類熱失控報警條件組合方式，可供參考。

如表7所示，對于溫度和電壓的組合，溫度電壓數(shù)據(jù)相互校核可有效降低誤報概率；溫度電壓+氣壓組合在有效降低誤報概率的同時可提升檢測速度；溫度電壓+煙霧方案在有效降低誤報概率的同時可降低漏報概率。對于需要增加預(yù)警提前量的情況，可將膨脹力或聲學(xué)信號與溫度電壓相耦合，通過優(yōu)化組合一定程度上可避免熱失控的發(fā)生[21]。

表7 熱失控信號組合方案

3 結(jié)束語

電池安全問題是目前困擾新能源汽車發(fā)展的主要瓶頸之一。隨著新能源汽車保有量的上升，由電池熱失控引發(fā)的安全事故逐年增多，開發(fā)和設(shè)計快速準確的熱失控檢測系統(tǒng)成為工程領(lǐng)域亟待解決的問題。本文通過分析比較各類熱失控傳感器信號及其組合使用方案，為電池熱失控檢測提供參考和依據(jù)。通過分析比較可知，溫度和電壓檢測作為電池系統(tǒng)熱失控檢測的“基礎(chǔ)套餐”，可低成本地滿足大多數(shù)檢測需求。但由于鋰離子電池熱失控早期電池溫度、電壓等特征識別參數(shù)的變化非常緩慢，無法通過BMS及早地監(jiān)測到電池故障，因此，利用氣體和壓力檢測傳感器可實現(xiàn)鋰離子電池熱失控早期預(yù)警。例如，將壓力信號耦合到電壓溫度檢測方案，可在有效降低誤報概率的同時提升檢測速度；將煙霧傳感器與電壓溫度組合，可在有效降低誤報概率的同時降低漏報概率。將膨脹力或聲學(xué)信號的前瞻研究應(yīng)用于熱失控檢測將大幅增加熱失控的預(yù)警提前時間，通過優(yōu)化組合和熱失控抑制手段一定程度上可避免熱失控的發(fā)生。