新能源汽車鋰電池熱失控參數(shù)的提取及驗證探究

摘要：新能源汽車在雙碳背景下快速發(fā)展，但鋰電池熱失控限制了新能源汽車的大規(guī)模普及，為更好地抑制并控制熱失控問題，需對熱失控氣體進行提取與驗證?；诖耍紫群唵侮U述了鋰電池熱失控危害，分析新能源汽車鋰電池熱失控的背景與演化，進一步從加熱、過充兩個方面組織試驗，提取并驗證新能源汽車鋰電池熱失控氣體，旨在為后續(xù)新能源鋰電池研發(fā)提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;鋰電池;熱失控參數(shù)

引言：新能源汽車項目是推動雙碳戰(zhàn)略的重要部分，但鋰電池性能對新能源汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用產(chǎn)生了極大限制，該限制不僅體現(xiàn)在鋰電池蓄電供電方面，還存在于熱失控引發(fā)的火災(zāi)、爆炸方面，為推進新能源汽車發(fā)展，貫徹落實雙碳戰(zhàn)略，應(yīng)重點針對鋰電池現(xiàn)有不足展開針對性研究解決，相較于蓄電供電性能，熱失控所引發(fā)的問題更為嚴重，為有效解決該問題，可將氣體作為切入點展開分析。

一、鋰電池熱失控危害

“十四五”規(guī)劃強調(diào)了綠色發(fā)展的新時代主題，注重生態(tài)保護，在全國兩會中再次提出產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的目標，對2030年碳達峰與2060年碳中和目標進一步闡述，指出生產(chǎn)總值能耗需于2030年降低13.5%，而二氧化碳排放量需于2030年降低18%[1]。在雙碳戰(zhàn)略驅(qū)動下，新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，其中新能源汽車為新時代重要項目，鋰電池因其使用壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、能量密度高等特點而被應(yīng)用到新能源汽車內(nèi)，但隨著鋰電池在新能源汽車中的大規(guī)模應(yīng)用，陸續(xù)發(fā)生了火災(zāi)、爆炸等安全事故，給高能量密度鋰離子電池的應(yīng)用提出了警醒。在《2020年電動汽車起火事故分析報告》中指出，在不完全統(tǒng)計的情況下，2020年新能源電動汽車發(fā)生的冒煙、自燃等事故共計124起，相較于2019年增加了四分之一[2]。冒煙、自燃、火災(zāi)、爆炸等安全事故的原因主要為鋰電池的熱失控問題，在熱失控作用下，熱量在鋰電池內(nèi)不斷累積，使鋰電池逐漸升溫，該升溫現(xiàn)象將帶動鋰電池電壓、內(nèi)阻的提高，使鋰電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生速度進一步增，繼而使溫度迅速超出限值，出現(xiàn)冒煙、自燃、火災(zāi)、爆炸等安全事故，損害新能源車體與鋰電池結(jié)構(gòu)，并會產(chǎn)生安全隱患，對新能源汽車的應(yīng)用推廣造成限制，不利于雙碳戰(zhàn)略的有效落實。

二、新能源汽車鋰電池熱失控的背景與演化

（一）熱失控背景

鋰電池在新能源汽車中的應(yīng)用是新時代市場經(jīng)濟驅(qū)動發(fā)展的結(jié)果，同樣也是綠色節(jié)能社會的主要表現(xiàn)，是汽車產(chǎn)業(yè)的未來趨勢，熱失控風險所產(chǎn)生的不可逆熱源降低了鋰電池的應(yīng)用安全性，為促進新能源汽車發(fā)展，應(yīng)重視鋰電池熱失控問題。在雙碳背景下，針對新能源電動客車、電動汽車、動力蓄電池等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)布了強制性標準，以政策標準為導(dǎo)向，使新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)指明未來發(fā)展方向。隨著雙碳戰(zhàn)略的有效落實，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其汽車保有量逐漸提升，新能源電動汽車基數(shù)擴大，這就意味著鋰電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象的概率有所提高，若在未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不加以控制，將會引發(fā)熱失控事故，降低新能源汽車安全性。為避免鋰電池熱失控問題引發(fā)安全事故，應(yīng)結(jié)合熱失控特征進行早期預(yù)警，通過對熱失控參數(shù)的提取驗證，為熱失控預(yù)警探測體系的構(gòu)建提供依據(jù)。對當前鋰電池熱失控前提條件進行總結(jié)，主要包括外部加熱、過充、過放、大電流充電、穿刺、擠壓、外短路等，上述前提條件發(fā)生后，將會出現(xiàn)析鋰、內(nèi)短路，在鋰電池內(nèi)部發(fā)生電極-電解液反應(yīng)、分解反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)，通過上述反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，引發(fā)泄壓、釋放氣體、煙霧、燃燒等的現(xiàn)象，繼而出現(xiàn)熱失控問題。

（二）熱失控演化

鋰電池在新能源汽車中的應(yīng)用伴隨著諸多充放電循環(huán)，在長期使用或惡劣條件作用下，將對鋰電池產(chǎn)生不良反應(yīng)，加速鋰電池老化，逐漸出現(xiàn)內(nèi)部析鋰現(xiàn)象，嚴重降低新能源汽車鋰電池安全性。熱失控的產(chǎn)生通常是諸多不利因素逐漸累積的結(jié)果，在熱失控不利因素長期積累演下出現(xiàn)安全事故，因此應(yīng)用新能源汽車時，應(yīng)做好保養(yǎng)工作，并定期檢查車況，以此降低新能源汽車鋰電池熱失控風險。外部突發(fā)狀況同樣可促進鋰電池熱失控問題的產(chǎn)生，如車禍等，鋰電池系統(tǒng)遭受外部沖擊作用而損壞，繼而引發(fā)熱失控現(xiàn)象。當新能源汽車遭遇車禍后，鋰電池受到突然性撞擊而機械變形，在外力擠壓作用下逐漸扭曲，繼而發(fā)生鋰電池位移，若突發(fā)狀況嚴重，可能會有尖銳物品對鋰電池造成穿刺，引發(fā)熱失控。該類突發(fā)性事故難以預(yù)測，無法運用探測裝置進行預(yù)警，此時需總結(jié)各類突發(fā)事故的特征，根據(jù)外部沖擊對鋰電池損傷情況，改變鋰電池在新能源汽車中結(jié)構(gòu)與布置，降低車禍等外部沖擊對鋰電池的影響，降低機械變形問題出現(xiàn)概率。

（三）熱失控參數(shù)

鋰電池受到內(nèi)外部條件影響出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象時，同樣伴有氣體釋放、泄壓、煙霧等現(xiàn)象，熱量之間累積產(chǎn)生高熱火焰，新能源汽車中的鋰電池同樣設(shè)置在IP67外殼防護穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，當鋰電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象后，相關(guān)參數(shù)將會呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)變化特征，出現(xiàn)可見煙、火焰、高熱現(xiàn)象，熱失控早期時，經(jīng)氣體探測器驗證氣體，根據(jù)氣體濃度變化判斷是否會發(fā)生熱失控問題，此外運用感煙探測器、視頻探測器了解鋰電池可見煙情況，運用感光探測器、感溫探測器分別確定火焰與高熱溫度，以此構(gòu)建多層次化鋰電池熱失控預(yù)警體系。上述預(yù)警體系構(gòu)建的關(guān)鍵在于鋰電池熱失控參數(shù)的提取，要求該參數(shù)能夠代表并清晰呈現(xiàn)出鋰電池熱失控發(fā)展演化情況，且不會受到鋰電池動力系統(tǒng)影響而出現(xiàn)錯誤信號，結(jié)合上述預(yù)警探測情況來看，早期預(yù)警的主要方式為氣體，故在構(gòu)建熱失控預(yù)警體系時，應(yīng)可將熱失控氣體作為關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)氣體型號的提取優(yōu)化氣體探測器，以此更為精準地探測預(yù)警鋰電池熱失控問題。

三、提取新能源汽車熱失控氣體成分參數(shù)的驗證試驗

為良好提取鋰電池熱失控早期特征，將氣體作為重要探測參數(shù)，通過氣體參數(shù)等精準探測提高預(yù)警效果，繼而提升新能源汽車安全性。在熱失控引發(fā)因素中，加熱與過充是引發(fā)氣體變化的主要因素，以下將采取加熱與過充兩種方式進行熱失控誘發(fā)驗證試驗。

（一）加熱誘發(fā)失控

1.試驗步驟

熱失控誘發(fā)試驗前，需準備IP67外殼防護的氣體采集箱，該采集箱配備壓力表一個，球閥兩個。采用加熱方式誘發(fā)鋰電池熱失控展開氣體驗證試驗的步驟如下：（1）對試驗所準備的氣體采集箱進行全面清理，去除雜質(zhì)。（2）準備兩個加熱片（功率300W），以加熱片為熱源展開加熱誘導(dǎo)試驗，在夾具幫助下，將加熱片固定在磷酸鐵鋰電池（120Ah）表面，避免鋰電池加熱期間殼體膨脹變形導(dǎo)致加熱片脫落，熱量無法有效傳遞給鋰電池而試驗失敗。（3）準備溫度探測器兩個，分別置于鋰電池背面與加熱片接觸面，用于了解試驗加熱溫度。（4）準備熱失控參數(shù)探測器，將其安裝至試驗箱頂部，同時借助監(jiān)控軟件，便于對煙霧、氣體、溫度參數(shù)進行實時監(jiān)測，將實測數(shù)據(jù)詳細記錄并存儲。（5）完成上述準備后，將鋰電池置于氣體采集箱內(nèi)，按照試驗標準進行設(shè)置并關(guān)閉氣體采集箱，關(guān)閉氣體采集箱球閥，將采集箱門完全鎖死。（6）準備攝像機，將其架設(shè)在試驗場地，用于錄制整個加熱誘導(dǎo)熱失控提取驗證試驗，在加熱期間，需將傳感探測裝置采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行記錄，按照錄像時間校準數(shù)據(jù)時間。（7）加熱誘導(dǎo)開始后，發(fā)現(xiàn)鋰電池防爆閥轉(zhuǎn)為開啟狀態(tài)后，需將加熱片電源關(guān)閉。（8）停止加熱后將球閥打開，并啟動取樣泵，將氣體排出，將采氣袋與采樣泵排氣管銜接，開啟采氣袋閥門，以此采集熱失控氣體。（9）完成取氣后依次關(guān)閉采樣泵、采氣袋閥門、箱體球閥。

2.參數(shù)判定

加熱片對鋰電池熱失控進行加熱誘發(fā)，在熱量作用下，鋰電池內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng)，繼而出現(xiàn)氣體。對熱失控氣體參數(shù)進行判定分析，發(fā)現(xiàn)氣體濃度隨著熱量的增加而表現(xiàn)出平滑增長趨勢，待鋰電池泄壓閥開啟后，氣體濃度顯著上升。因此，為保障鋰電池熱失控早期預(yù)警效果，可將某氣體作為檢測判定依據(jù)，要求該熱失控氣體并非空氣主要成分，避免引起錯誤預(yù)警，為保障氣體探測判定準確性，該熱失控氣體需被傳感裝置定量檢測，打開防爆閥后該氣體需產(chǎn)生明顯濃度變化。

3.試驗結(jié)論

結(jié)合上述參數(shù)判定要求選擇熱失控氣體參數(shù)，最終將該氣體選擇為一氧化碳，通過對一氧化碳的氣體探測展開熱失控的早期預(yù)警[3]。在加熱誘發(fā)試驗中，主要采集到的氣體包括氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙烷，其中氧氣、氮氣、二氧化碳的參數(shù)變化較小，且屬于空氣主要成分，無法予以直觀判斷，而乙烯、乙烷的探測裝置成本較高，使用壽命短，不利于新能源鋰電池熱失控早期預(yù)警，而一氧化碳參數(shù)變化相對明顯，且一氧化碳傳感探測裝置使用壽命長，成本較小，適用性較強，因此可將一氧化碳參數(shù)作為熱失控預(yù)警參數(shù)，將傳感探測預(yù)警與新能源汽車能源體系進行聯(lián)動，一旦出現(xiàn)預(yù)警將自動切斷電源，若鋰電池正在充電，則會停止充電，若新能源汽車正在行駛，則會逐漸減速，并切斷電源，以此提升新能源汽車安全性。

（二）過充誘發(fā)失控

1.試驗方案

準備5V/120A的恒流充電設(shè)備，將其進行鋰電池過充，通過過充提升鋰電池溫度，繼而出現(xiàn)鼓包、發(fā)熱現(xiàn)象，并出現(xiàn)可燃蒸汽、可燃氣體，釋放電解液[4]。在過充誘發(fā)熱失控試驗中，主要提取驗證防火裝置預(yù)警性能，通過設(shè)置為各類傳感探測裝置，監(jiān)測箱內(nèi)環(huán)境，并詳細記錄數(shù)據(jù)，繪制曲線圖。

2.試驗過程

鋰電池運行溫度需低于60℃，但通過過充試驗驗證后，發(fā)現(xiàn)因快充將鋰電池表面溫度提升至58℃時，傳感探測裝置所采集到的數(shù)據(jù)證明，當鋰電池溫度58℃時，一氧化碳濃度逐漸開始提升，且出現(xiàn)電池鼓包現(xiàn)象，當溫度達到58.7℃時，發(fā)現(xiàn)一氧化碳濃度已達20ppm。待鋰電池溫度達到極限（60℃）時，溫度傳感器將自動發(fā)出警報，鋰電池達到60℃后，一氧化碳濃度逐漸提升至300ppm。鋰電池隨著充電的繼續(xù)進行而持續(xù)膨脹，同時電解液氣體隨著鋰電池溫度提升而不斷生成的氣體，待鋰電池表面70℃時，對一氧化碳氣體濃度進行驗證，發(fā)現(xiàn)其濃度已達1000ppm。為了解不同溫度下的一氧化碳濃度，明確引發(fā)鋰電池熱失控的過熱溫度，對不同溫度條件的一氧化碳進行采集，發(fā)現(xiàn)電解液于78℃時快速噴出，鋰電池表面溫度達到86.7℃出現(xiàn)熱失控問題，待表面溫度持續(xù)上升至100℃時，鋰電池具有爆炸隱患。在過充誘發(fā)熱失控驗證試驗中，對氣體樣本進行綜合分析，詳細記錄試驗數(shù)據(jù)，為提升新能源汽車應(yīng)用鋰電池時，必須做好溫度閾值設(shè)定與溫度預(yù)警，并增設(shè)一氧化碳傳感探測裝置進行預(yù)警。

3.判定結(jié)論

通過上述過充試驗，發(fā)現(xiàn)將鋰電池溫度警報閾值定為60℃較為科學(xué)，一旦發(fā)出溫度預(yù)警后，應(yīng)盡快進行解決處理，將鋰電池判定為故障，同時注意觀察一氧化碳濃度的變化情況，當預(yù)警發(fā)出后的13s一氧化碳濃度提升至300ppm，則意味著鋰電池泄壓閥已被打開，有電解液泄出。通過過充誘發(fā)熱失控驗證試驗，能夠進一步證明一氧化碳可作為熱失控典型參數(shù)，可將一氧化碳濃度升高作為熱失控前兆，以此更便于進行熱失控預(yù)防預(yù)警，使新能源汽車鋰電池熱失控預(yù)警體系更為完整可靠。

（三）兩種試驗總結(jié)

采用加熱與快充兩種形式誘發(fā)鋰電池熱失控，發(fā)現(xiàn)氣體參數(shù)在熱失控期間出現(xiàn)較大變化，呈增長態(tài)勢，經(jīng)綜合分析后，將一氧化碳作為鋰電池熱失控典型參數(shù)，一氧化碳并非大氣主要成分，故避免了錯誤預(yù)警問題，同時待熱失控導(dǎo)致防爆閥打開后，一氧化碳濃度將出現(xiàn)顯著變化，便于參數(shù)采集。一氧化碳氣體傳感探測裝置現(xiàn)已研發(fā)成熟，此時可借助一氧化碳氣體傳感探測裝置進行熱失控早期預(yù)警，以此降低熱失控事故發(fā)生率，推動新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)束語：綜上所述，鋰電池熱失控的危害較大，為避免鋰電池熱失控造成火災(zāi)、爆炸事故，結(jié)合兩次熱失控氣體提取驗證試驗，發(fā)現(xiàn)一氧化碳在鋰電池熱失控期間出現(xiàn)了明顯的濃度變化，在后續(xù)鋰電池研發(fā)中，可運用一氧化碳濃度探測裝置，對鋰電池熱失控進行防控預(yù)警，避免出現(xiàn)火災(zāi)、爆炸事故，為新能源汽車的推廣應(yīng)用創(chuàng)造安全環(huán)境，以此有效推動雙碳戰(zhàn)略。

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[2]牛志遠，王懷銣，金陽等.不同倍率下磷酸鐵鋰電池模組過充熱失控特性研究[J].電力工程技術(shù)，2021，40（04）：167-174.

[3]徐傲.新能源汽車鋰動力電池熱狀態(tài)仿真和熱失控分析[D].山東大學(xué)，2021.

[4]孫錕.車載Li電池組熱過程強化技術(shù)研究[D].北京化工大學(xué)，2020.

作者簡介：馮毅（1983年7月），男，湖北武漢人，漢族，本科，助講，主要從事汽車電器方向研究。