電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)崾Э毓收显\斷研究

摘? 要：基于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池各類(lèi)起火燃燒的故障現(xiàn)象，查找電動(dòng)汽車(chē)在各種使用工況中產(chǎn)生動(dòng)力電池?zé)崾Э氐恼T因，結(jié)合動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與鋰離子電池鋰枝晶產(chǎn)生因素，針對(duì)各類(lèi)引發(fā)動(dòng)力電池?zé)崾Э氐恼T因進(jìn)行故障診斷分析，通過(guò)故障產(chǎn)生機(jī)理提出預(yù)防措施優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)使用方法，提出一套合理有效的電動(dòng)汽車(chē)使用方案，推薦電動(dòng)汽車(chē)柔和駕駛和安全駕駛，提高駕駛員和乘坐員的安全防患意識(shí)，減少或避免各類(lèi)誘因引起動(dòng)力電池?zé)崾Э?，提高電?dòng)汽車(chē)使用的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；鋰枝晶；熱失控；故障診斷；機(jī)械碰撞

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）02-0048-08

Research on Thermal Runaway Fault Diagnosis of Electric Vehicle Power Battery

YU Zhi-xiang

（Experimental and Occupational Skills Management Center， Jiangsu Institute of Architectural Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract： Based on all kinds of failure phenomena of electric vehicle power battery burning， find out the inducements of electric vehicle thermal runaway of power battery under various operating conditions. In combination with the structural characteristics of power battery and the factors causing lithium dendrite of lithium ion battery， carry out fault diagnosis and analysis on all kinds of inducements causing thermal runaway of power battery， and propose preventive measures to optimize the use of electric vehicle through the failure generation mechanism， Propose a reasonable and effective use plan for electric vehicles， recommend soft driving and safe driving of electric vehicles， improve the safety awareness of drivers and passengers， reduce or avoid various incentives to cause thermal runaway of power batteries， and improve the safety and reliability of electric vehicles.

Key Word： Power Battery; Lithium Dendrites; Thermal Runaway; Fault Diagnosis; Mechanical Collision

于秩祥

現(xiàn)就職于江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，任職業(yè)技能管理科科長(zhǎng)，職業(yè)技能等級(jí)評(píng)價(jià)中心主任，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)檢測(cè)研究，汽車(chē)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)、新能源汽車(chē)技術(shù)、汽車(chē)節(jié)能減排技術(shù)等方面的研究，現(xiàn)發(fā)表論文28篇。

引? ? 言

目前，根據(jù)公安部數(shù)據(jù)顯示，截至2022年6月底，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)的保有量已經(jīng)突破了1000萬(wàn)輛大關(guān)，達(dá)到了1001萬(wàn)輛，占汽車(chē)總量的3.23%。其中，純電動(dòng)汽車(chē)保有量810.4萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)總量的80.93%[1]。根據(jù)國(guó)家應(yīng)急管理部消防救援局公布數(shù)據(jù)，2022年第一季度，國(guó)內(nèi)接報(bào)的新能源汽車(chē)火災(zāi)共計(jì)有640起，同比上升了32%，整體上升幅度較高，而且高于交通工具火災(zāi)8.8%的平均增幅[2]。電動(dòng)汽車(chē)保量的不斷增加導(dǎo)致在使用過(guò)程中動(dòng)力電池出現(xiàn)熱失控發(fā)生自燃事故。電動(dòng)汽車(chē)自燃主要發(fā)生在使用過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)中，有行駛過(guò)程中自燃，充電過(guò)程中自燃，停置時(shí)自燃，高溫下自燃，發(fā)生碰撞事故后自燃[3]。但對(duì)于電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，并不是每一次的自燃，我們都能找到準(zhǔn)確的原因。電動(dòng)汽車(chē)自然都是在各種誘因下從動(dòng)力電池內(nèi)部單體理離子電池?zé)崾Э睾?，從?nèi)部發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，伴隨著噴射、泄氣和爆炸等現(xiàn)象快速引起整塊動(dòng)力電池起火燃燒[4-5]。因?yàn)闊o(wú)法知曉確定原因，且不知道什么時(shí)候會(huì)發(fā)生，所以很難完全避免。隨著電動(dòng)汽車(chē)保有量不斷增加，部分電動(dòng)汽車(chē)使用年限和里程增大，引起自燃頻發(fā)及起火原因的不確定性或?qū)е码妱?dòng)汽車(chē)使用安全性下降，本文通過(guò)研究電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)崾Э毓收犀F(xiàn)象，對(duì)引發(fā)熱失控的誘因進(jìn)行預(yù)防診斷分析。

1? ? 動(dòng)力電池類(lèi)型特點(diǎn)

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池主要為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池和三元鋰動(dòng)力電池，在單位容量相同的兩種電池性能比較見(jiàn)表1所示。磷酸鐵鋰動(dòng)力電池是采用磷酸鐵鋰作為正極材料，從化學(xué)層面來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰中的磷酸鐵鋰晶體P-O鍵非常穩(wěn)固，難以分解，因此表現(xiàn)出的化學(xué)特性就是在高溫下不會(huì)崩塌，也就是不容易燃燒，因此使用的安全性較高[6]。它的優(yōu)點(diǎn)是在高溫條件下或過(guò)充電時(shí)安全性非常高，缺點(diǎn)是在低溫條件下（氣溫低于-10℃以下），衰減得非?？?，經(jīng)過(guò)不到100次充放電循環(huán)，電池容量將下降到初始容量的20%。磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)沒(méi)有三元鋰離子電池劇烈，主要是因?yàn)槠湔龢O材料分解溫度在500℃以上，熱失控溫度相比三元鋰離子電池更高，其熱失控風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。此外，磷酸鐵鋰電池正極分解（觸發(fā)熱失控的一個(gè)主因）時(shí)產(chǎn)生的氧氣量較少，限制了電池內(nèi)部壓力增加（限制了電池外殼鼓漲）及溫度升高，這一方面能夠避免電池內(nèi)部壓力過(guò)大發(fā)生爆炸，另一方面也一定程度地限制了易燃電解液發(fā)生燃燒的可能性。磷酸鐵鋰電池在熱失控中，其升溫速率相比三元鋰離子電池要低得多，在安全穩(wěn)定性上磷酸鐵鋰電池占有很大優(yōu)勢(shì)。

三元鋰電池是采用鎳鈷錳酸鋰（NCM）或鎳鈷鋁酸鋰（NCA）三元正極材料的鋰電池，把鎳鹽、鈷鹽、錳鹽作為三種不同的成分比例進(jìn)行不同的調(diào)整[7-8]。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池提升正極、負(fù)極、電解液、隔膜的熱穩(wěn)定性是有一定的技術(shù)瓶頸，特別是在滿(mǎn)足當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)高續(xù)航里程狀態(tài)下，三元鋰離子電池高鎳，低鈷，無(wú)鈷的比例下，電池鎳含量高容量大，低鈷無(wú)鈷電池低穩(wěn)定性，導(dǎo)致正極材料的熱穩(wěn)定性極差，當(dāng)電池遇到高溫、外力等沖擊時(shí)，更容易引發(fā)熱失控。三元鋰動(dòng)力電池，如果長(zhǎng)時(shí)間放置，沒(méi)有充放電的話，電池自身的容量也會(huì)受到影響，這是因?yàn)槿牧蠈儆谌斯ず铣傻幕瘜W(xué)物質(zhì)，它自身的化學(xué)鍵并不穩(wěn)固，如果長(zhǎng)時(shí)間放置，自身就會(huì)發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致容量下降。

目前電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池基本為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，如圖1所示2019年—2022年裝機(jī)量對(duì)比，其中三元鋰電池在容量、能量密度上都有優(yōu)勢(shì)，能夠帶來(lái)更長(zhǎng)的續(xù)航里程，只要使用控制得當(dāng)，它的優(yōu)勢(shì)能夠掩蓋它的劣勢(shì)；磷酸鐵鋰電池安全穩(wěn)定性上要好于三元鋰電池裝機(jī)量在2022年已經(jīng)超越三元鋰電池。

2? ? 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)崾Э?/p>

2.1? ?電池內(nèi)部鋰枝晶的產(chǎn)生

動(dòng)力電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)最大的是鋰枝晶副作用，鋰枝晶在負(fù)極產(chǎn)生之后，會(huì)繼續(xù)不均勻生長(zhǎng)下去，變得更長(zhǎng)、更粗、更尖。液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池在首次充放電時(shí)，電極材料和電解液在固液相界面上發(fā)生很復(fù)雜的反應(yīng)，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層，即固體電解質(zhì)界面SEI（Solid Electrolyte Interphase）膜，其中負(fù)極上的SEI膜對(duì)電池的影響更大[9]。這層SEI膜具有有機(jī)溶劑不溶性，是電子絕緣體所以e-過(guò)不了，同時(shí)是良好的離子導(dǎo)體所以鋰離子很愉快地過(guò)去了。當(dāng)鋰離子在負(fù)極表面不均勻沉積就會(huì)成為鋰枝晶的反動(dòng)小團(tuán)體（析鋰效應(yīng) Li Plating 造成的鋰轉(zhuǎn)化 Conversion），最可怕的是它還會(huì)繼續(xù)不均勻生長(zhǎng)下去，變得更長(zhǎng)、更粗、更尖[10]。當(dāng)鋰枝晶長(zhǎng)到一定程度，就會(huì)靠近負(fù)極部位溶解，鋰枝晶脫離電極，成為失去電化學(xué)活性的“死鋰”，導(dǎo)致電池容量降低，電池容量降低后，電池充電變得頻繁[11]。如圖2所示，在負(fù)極表面的鋰枝晶生長(zhǎng)得過(guò)粗過(guò)長(zhǎng)，朝著正極方向刺破了絕緣的SEI膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。在負(fù)極表面的鋰枝晶生長(zhǎng)得很小，且底部與負(fù)極接觸的位置崩塌了；亦是大型鋰枝晶的頂部出現(xiàn)了鹿角狀的小枝晶且斷裂脫離。這兩種小小的鋰枝晶脫離負(fù)極（與大枝晶）的固定，透過(guò)SEI膜進(jìn)入電解質(zhì)中到處晃悠，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。頻繁充電導(dǎo)致這些鋰枝晶還會(huì)刺破電池SEI隔膜，內(nèi)部絕緣狀態(tài)被打破，內(nèi)部短路，導(dǎo)致自燃。

目前生產(chǎn)的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池都有鋰枝晶產(chǎn)生，鋰枝晶依然會(huì)引起熱失控，這是鋰離子電池與生俱來(lái)的副作用，鋰枝晶生長(zhǎng)的速度與離子偏移速度正相關(guān)，所以快充更容易生成鋰枝晶，電池循環(huán)次數(shù)多則有更多鋰枝晶，圖1所示三元鋰電池的裝機(jī)量較多的電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)過(guò)幾年使用更容易自燃。暫時(shí)未有徹底的解決方案，只能以預(yù)防為主，有效控制，盡量避免動(dòng)力電池?zé)崾Э匾鸬淖匀肌?/p>

2.2? ?電池?zé)崾Э剡^(guò)程

動(dòng)力電池?zé)崾Э厥侵鸽姵卦诜艧徇^(guò)程中，電池的自溫升速急劇變化，電池的溫度急劇升高，所造成的過(guò)熱、起火、爆炸等現(xiàn)象[12]。由于熱失控是一個(gè)逐漸反應(yīng)的過(guò)程，因此理論上是可以進(jìn)行監(jiān)控，甚至是預(yù)警。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池在使用過(guò)程中，需要大倍率充放電工況和惡劣的熱環(huán)境中，導(dǎo)致充放電過(guò)程中生成的熱量大量聚集，電池溫度上升明顯。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池正常工作溫度在20～50℃之間，當(dāng)溫度超過(guò)100℃時(shí)，高溫會(huì)觸發(fā)電池內(nèi)部一系列副反應(yīng)導(dǎo)致電池溫度快速上升。如圖3所示在熱積累階段，如果能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池異常，這時(shí)電池的電池管理系統(tǒng)BMS和冷卻系統(tǒng)會(huì)對(duì)電池進(jìn)行電流控制和冷卻散熱，避免電池過(guò)熱導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生一系列副反應(yīng)。如果電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中溫度控制不好，導(dǎo)致電池溫度快速上升，而上升的溫度反過(guò)來(lái)又會(huì)進(jìn)一步加劇電池內(nèi)部副反應(yīng)生熱，進(jìn)入到熱失控階段，電芯的燃燒便很難控制，以三元鋰動(dòng)力電池為例，燃燒溫度會(huì)迅速?gòu)?00℃上升到1000℃以上，最后電芯引燃整個(gè)動(dòng)力電池最終導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)自燃。

3? ? 動(dòng)力電池?zé)崾Э卣T因

電動(dòng)汽車(chē)自燃事故大多數(shù)是由于動(dòng)力電池組發(fā)生了熱失控導(dǎo)致的，而熱失控是動(dòng)力電池組產(chǎn)生的故障現(xiàn)象，而并非是故障的真正原因。電動(dòng)汽車(chē)自燃是偶發(fā)性的，起火后短時(shí)間內(nèi)就可以劇烈燃燒，燃燒后車(chē)輛損毀嚴(yán)重，因此很多電動(dòng)汽車(chē)自燃事故，最后很難查找自燃故障原因。在電動(dòng)汽車(chē)自燃之前，電池組內(nèi)部仍會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)微的變化。如圖4所示從目前已知的引發(fā)熱失控的原因來(lái)看，分為外部原因和內(nèi)部原因。外部原因如電動(dòng)汽車(chē)碰撞（動(dòng)力電池包受到擠壓）、電動(dòng)汽車(chē)浸水（動(dòng)力電池包長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中）、電動(dòng)汽車(chē)電池冷卻系統(tǒng)失效和長(zhǎng)時(shí)間高溫或低溫環(huán)境工況運(yùn)行等；內(nèi)部原因如電池的過(guò)充電、過(guò)放電、電池老化、鋰枝晶等。一般情況下都是外部故障原因引發(fā)內(nèi)部故障原因，尤其是個(gè)別單體電池故障導(dǎo)致電池包故障最后導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍?/p>

3.1? ?溫度對(duì)動(dòng)力電池的影響

電動(dòng)汽車(chē)采用的高能量密度的鋰電池內(nèi)的電解液屬于易燃物，電解液主要成分為碳酸酯，它的閃電點(diǎn)低，沸點(diǎn)也低，在高溫條件下，很容易被引燃，釋放大量氣體和熱量，同時(shí)三元材料會(huì)析出氧氣，這就意味著即便將三元鋰電池放置在一個(gè)完全隔絕氧氣的真空環(huán)境中，一旦出現(xiàn)異常高溫，電池引發(fā)自燃，電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起爆炸，而且靠目前的技術(shù)手段（與氧氣隔絕）很難將其撲滅，一旦起火后燃燒速度非?？靃13]。

低溫狀態(tài)時(shí)鋰離子電池的正負(fù)極材料活性降低，電解液導(dǎo)電能力也受到影響。鋰離子電池工作時(shí)，電流流過(guò)電池內(nèi)部會(huì)受到阻力，形成電池內(nèi)阻。內(nèi)阻增大會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱引起電池溫度升高。實(shí)驗(yàn)表明環(huán)境0℃以下時(shí)，溫度每下降10℃，內(nèi)阻約增大15%，導(dǎo)致電池容量下降。另外在低溫環(huán)境下，電池內(nèi)部的鋰離子會(huì)析出成為金屬態(tài)，一方面導(dǎo)致電池容量減少，另一方面析出的金屬態(tài)鋰會(huì)聚集鍍?cè)陔娦矩?fù)極表面形成鋰枝晶。一旦枝晶刺破隔膜連接電池的正負(fù)極，就會(huì)導(dǎo)致短路產(chǎn)生危險(xiǎn)，引發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>

3.2? ?充放電對(duì)動(dòng)力電池的影響

動(dòng)力電池的充放電電流都會(huì)導(dǎo)致鋰離子的快速移動(dòng)，過(guò)大的充電電流讓鋰離子快速脫離晶格，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成沖擊，想要快速嵌入陽(yáng)極，擴(kuò)散速率跟不上，則會(huì)出現(xiàn)鋰單質(zhì)在陽(yáng)極表面沉積；過(guò)大的放電電流會(huì)讓大量鋰離子短時(shí)間通過(guò)SEI膜，可能造成膜層結(jié)構(gòu)的大規(guī)模破損[14]，所以過(guò)大的電流會(huì)讓電池快速老化。

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池雖然具備快速充電功能，頻繁快速充電也會(huì)加速電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)力電池快充之所以快，就是強(qiáng)行使鋰離子快速?gòu)恼龢O嵌出并嵌入負(fù)極，增大鋰離子的流量與速度。鋰電池快速充會(huì)影響SEI的穩(wěn)定性，還會(huì)在短時(shí)間內(nèi)帶來(lái)比較大的發(fā)熱量，發(fā)熱也不均勻?？斐鋾?huì)一定程度上降低庫(kù)倫效率，也即是放電效率，對(duì)于正極而言就是放電容量/充電容量（嵌鋰容量/脫鋰容量）。有些電池首次放電時(shí)的庫(kù)倫效率會(huì)高于100%，但隨著SEI膜的形成，便會(huì)降低到100%以下，并隨著循環(huán)增加而慢慢降低比例，活性越來(lái)越弱。

鋰電池的過(guò)充電會(huì)引起熱失控，電池過(guò)熱它會(huì)導(dǎo)致正極活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不可逆變化及電解液的分解，同時(shí)過(guò)充還會(huì)產(chǎn)生大量有氣體，放出大量的熱。另外。鋰離子會(huì)堆積于負(fù)極材料表面形成金屬鋰，并由負(fù)極表面往鋰離子來(lái)的方向長(zhǎng)出樹(shù)枝狀結(jié)晶，形成的金屬鋰枝晶會(huì)穿破隔膜使正負(fù)極短路從而引發(fā)電池?zé)崾Э豙15] 。

目前電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池包，已經(jīng)能夠支持2C充電倍率（充電倍率=充電電流/電池額定容量），通過(guò)電解液添加劑、各向同性石墨、石墨烯等材料的使用，可以一定程度上提升電池材料的電導(dǎo)率，改善高電壓下三元材料的穩(wěn)定性。但這些方案并不能從根本上避免副反應(yīng)的發(fā)生，如果想要實(shí)現(xiàn)4C甚至6C充電倍率的超快充，還需要在電池材料、高控制精度的電池BMS管理系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)突破，不然容易造成過(guò)充電引發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>

3.3? ?動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的影響

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（Battery-Management-System，BMS）不夠完善，沒(méi)有及時(shí)監(jiān)控到電池組的問(wèn)題并采取措施，導(dǎo)致了問(wèn)題的發(fā)生。BMS監(jiān)測(cè)的是電池外部溫度，對(duì)于電池內(nèi)部發(fā)生的問(wèn)題很難做到提前發(fā)現(xiàn)，BMS可以監(jiān)測(cè)整個(gè)電池組，包括電池的電壓、電流，以及部分電池的溫度，防止過(guò)充或過(guò)放，確保電池組的健康工作。隨著動(dòng)力電池的使用造成動(dòng)力電池衰減，而衰減狀態(tài)（State-Of-Health，SOH）指標(biāo)量化[16]，健康SOH指電池的劣化程度，對(duì)外表現(xiàn)為可用容量減少，以容量為指標(biāo)SOH計(jì)算公式為：

式中：Qnow為當(dāng)前電池的最大容量；Qnew為新電池的額定容量。

電動(dòng)汽車(chē)SOH的精確計(jì)算是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池使用中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池Qnow衰減至額定容量80%時(shí)，即認(rèn)定為動(dòng)力電池?zé)o法在電動(dòng)汽車(chē)上使用。受動(dòng)力電池內(nèi)部管理系統(tǒng)控制，對(duì)SOH的錯(cuò)誤估算很容易造成電池的過(guò)度放電或過(guò)度充電的情況，從而嚴(yán)重影響動(dòng)力電池使用壽命。

另一方面，BMS控制檢測(cè)動(dòng)力電池每一顆電芯的容量，避免動(dòng)力電池過(guò)度放電，保證每一顆電池荷電狀態(tài)（State-of-charge，SOC）[17]，即電池剩余可用電量，通過(guò)計(jì)算分析合理估算SOC，充分發(fā)揮電池能力和提高安全性?xún)蓚€(gè)角度對(duì)電池進(jìn)行高效管理，計(jì)算公式為：

式中：Qremain為電池中剩余的電池電荷容量；Qdischargred為最近一次充滿(mǎn)電后電池中已經(jīng)放掉的電荷量。

BMS對(duì)SOH和SOC進(jìn)行精確計(jì)算可以有效反映出電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的電量和健康狀態(tài)，受使用和外界各類(lèi)因素影響，主要是環(huán)境溫度、充放電倍率和放電深度等多個(gè)因素相互耦合作用對(duì)動(dòng)力電池內(nèi)鋰離子電池組SOH和SOC的變化均有影響，使得鋰離子電池組的SOH和SOC的精確估算變得十分不易，而當(dāng)前的充電倍率和放電深度是車(chē)載BMS通過(guò)當(dāng)前電池的溫度、SOH、SOC等狀態(tài)決定的[18]。BMS實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池溫度、電壓和電流等參數(shù)，通過(guò)CAN總線把參數(shù)反饋給電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)動(dòng)力電池在最佳狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)工作，一旦BMS出現(xiàn)故障，尤其CAN通信傳輸故障，就無(wú)法監(jiān)控動(dòng)力電池狀態(tài)，不能夠?qū)?dòng)力電池SOH和SOC進(jìn)行精確計(jì)算，導(dǎo)致電池過(guò)充、過(guò)放和溫度控制不精確，給動(dòng)力電池運(yùn)行埋下隱患，長(zhǎng)時(shí)間故障不能排除就會(huì)引發(fā)動(dòng)力電池?zé)崾Э?，BMS具有極高重要性，直接影響電池續(xù)航里程和使用壽命，也是保證電池甚至整車(chē)安全的關(guān)鍵。見(jiàn)表3所示，BMS是保證動(dòng)力電池安全運(yùn)行的重要保障，合理優(yōu)化BMS能減少和避免動(dòng)力電池在使用過(guò)程中出現(xiàn)熱失效現(xiàn)象。

3.4? ?電動(dòng)汽車(chē)機(jī)械碰撞的影響

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池一般由數(shù)個(gè)電池模塊組成，電池模塊內(nèi)又單個(gè)或數(shù)個(gè)鋰離子電池組成，若干個(gè)鋰離子電池組成一個(gè)模組，加上冷卻、電路、電池控制等部件，就構(gòu)成了一個(gè)完整的動(dòng)力電池包，最終動(dòng)力電池包會(huì)以一個(gè)總成的身份被裝上車(chē)。如圖5所示。動(dòng)力電池包要通過(guò)電池管理系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，保證每一顆鋰離子電池在正常的工作溫度下充放電，以及在極端環(huán)境溫度（高溫和低溫）下不會(huì)出現(xiàn)性能衰減。電池包內(nèi)部還有多個(gè)溫度傳感器和煙霧傳感器，溫度傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電芯的溫度，煙霧傳感器能夠敏銳感知電池包內(nèi)部因?yàn)楦邷囟a(chǎn)生的煙霧。當(dāng)傳感器感知到異常數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)限制電池功率輸出，并向駕駛員發(fā)出警報(bào)，避免熱失控的發(fā)生。另外還要保證在極端碰撞下避免電池受到擠壓變形。

如圖6所示，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身正面和測(cè)面碰撞受力圖，碰撞能量分散到車(chē)身各部位，正面碰撞中電動(dòng)車(chē)前部可以吸收大部分能量，減少能量向車(chē)底動(dòng)力電池包傳遞；側(cè)面碰撞車(chē)身無(wú)法吸收大量的能量和形變，大量能量傳遞給車(chē)身底部動(dòng)力包，就會(huì)讓動(dòng)力電池包的承受巨大形變壓力，電池受到變形引發(fā)電池破碎或者泄露。正面碰撞會(huì)損壞動(dòng)力電池BMS和電池冷卻系統(tǒng)，將導(dǎo)致電池瞬間不受控制，引發(fā)電池?zé)崾Э亍ｋ妱?dòng)汽車(chē)行駛速度越高，瞬間碰撞速度越大越能引起動(dòng)力電池自燃風(fēng)險(xiǎn)。電動(dòng)汽車(chē)為滿(mǎn)足低能耗需求，車(chē)身設(shè)計(jì)都才用低風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的流線型外形，尤其底盤(pán)最小離地間隙都很小，動(dòng)力電池包平整的安裝在底盤(pán)下部，保證最佳空氣動(dòng)力學(xué)性能。由于過(guò)小的底盤(pán)離地間隙，在行駛時(shí)底盤(pán)難免會(huì)受到剮蹭或機(jī)械碰撞導(dǎo)致動(dòng)力電池包出現(xiàn)變形擠壓內(nèi)部單體電池引發(fā)熱失控的誘因。

電動(dòng)汽車(chē)在發(fā)生碰撞的時(shí)候，由于碰撞車(chē)速較低或碰撞后未傷及動(dòng)力電池包外表，但巨大慣性加速度可能已經(jīng)損傷動(dòng)力電池包內(nèi)的單體電池，在后續(xù)使用中很可能變成電池?zé)崾Э氐恼T因，對(duì)這類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)該做系統(tǒng)的故障診斷與排除。電動(dòng)汽車(chē)較高車(chē)速碰撞后，車(chē)身結(jié)構(gòu)、BMS和零部件總成破損，會(huì)導(dǎo)致電池BMS和電池冷卻系統(tǒng)瞬間失效，激發(fā)動(dòng)力電池?zé)崾Э兀妱?dòng)汽車(chē)碰撞后自燃事故機(jī)率較大。電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中，會(huì)受到來(lái)自路面不平引起顛簸，可能導(dǎo)致內(nèi)部電池連接組件松動(dòng)故障，造成電池系統(tǒng)的機(jī)械濫用而觸發(fā)電池內(nèi)短路，導(dǎo)致電池接觸內(nèi)阻增加，若故障未能及時(shí)監(jiān)測(cè)排除，過(guò)高的電阻將引發(fā)局部高溫，溫度不斷積累出現(xiàn)過(guò)熱后，會(huì)引發(fā)附件單體內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生活性物質(zhì)不可逆反應(yīng)，同樣當(dāng)溫度不能有效擴(kuò)散，導(dǎo)致電池內(nèi)隔膜熔融，電解液分解后會(huì)引起電池?zé)崾Э?，?dǎo)致自燃事故。

5? ? 動(dòng)力電池優(yōu)化措施

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的故障原因可能是多方面的、多系統(tǒng)、多因素的，屬于診斷與檢測(cè)難度較大的工作，對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э氐恼T因是很難預(yù)判的，只能通過(guò)預(yù)防和改進(jìn)技術(shù)來(lái)減少或避免熱失控的發(fā)生，如表4所示，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)列舉改進(jìn)和優(yōu)化措施。

冷熱散熱 BMS實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)溫度異常時(shí)，立即啟動(dòng)電池速冷系統(tǒng)為電池降溫 云端監(jiān)控，熱別到電池?zé)崾Э睾?，可快速開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)抑制熱擴(kuò)散，冷卻液可采用滅火阻燃液體。

通路設(shè)計(jì) 在定向排爆出口設(shè)置多層不對(duì)稱(chēng)蜂窩通道，保持包內(nèi)壓力始終高于包外，避免氧氣吸入并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火。 通過(guò)燃燒模型、熱流體力學(xué)、沖擊強(qiáng)度和壓力計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)氣流在通道內(nèi)的均勻分布和迅速排除。

6? ? 電動(dòng)汽車(chē)安全駕駛

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性好，加速時(shí)間短，超控簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)的推背感覺(jué)，車(chē)身外形才用低風(fēng)阻流線設(shè)計(jì)，各項(xiàng)性能參數(shù)能達(dá)到跑車(chē)級(jí)別。由于電動(dòng)汽車(chē)加速快，存在駕駛欲望，在駕駛過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守交通法規(guī)，避免超速駕駛，尤其復(fù)雜市區(qū)路況，一旦造成電動(dòng)汽車(chē)碰撞引發(fā)動(dòng)力電池?zé)崾Э刈匀迹蠊豢霸O(shè)想。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB38031-2020電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》當(dāng)中有多達(dá)22項(xiàng)測(cè)試，涉及電芯、模組、電池包三大試驗(yàn)對(duì)象，涵蓋機(jī)械沖擊類(lèi)、環(huán)境類(lèi)、過(guò)充過(guò)放等測(cè)試項(xiàng)目，在附錄C中C.1要求鋰離子電池包或系統(tǒng)在由于單個(gè)電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致乘員發(fā)生危險(xiǎn)之間5min，應(yīng)提供一個(gè)預(yù)先警告信號(hào)（服務(wù)于整車(chē)熱事故報(bào)警），提醒乘員疏散[19]。但電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中發(fā)生的各類(lèi)碰撞交通事故種類(lèi)太多，尤其是電動(dòng)汽車(chē)高速行駛發(fā)生碰撞事故后動(dòng)力電池存在熱失控自燃機(jī)率較大，并且起火燃燒劇烈，幾分鐘就會(huì)燃燒整個(gè)車(chē)輛，發(fā)生事故后應(yīng)立即逃離車(chē)輛或第一時(shí)間撥打救援電話和尋找救援幫助。由于電動(dòng)汽車(chē)操控簡(jiǎn)單，對(duì)于駕駛者不熟練或誤操作也容易造成汽車(chē)碰撞引發(fā)動(dòng)力電池?zé)崾Э刈匀?。所以，?duì)駕駛電動(dòng)汽車(chē)駕駛者和乘員應(yīng)有較強(qiáng)的安全防患意識(shí)，提倡文明駕駛和安全出行。

7? ? 結(jié)論

（1）利用故障分析方法查找了電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池因熱失控導(dǎo)致起火的各類(lèi)誘因，針對(duì)各類(lèi)引發(fā)熱失控的故障現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出鋰枝晶生長(zhǎng)的速度與鋰離子偏移速度正相關(guān)，在電動(dòng)汽車(chē)使用過(guò)程中快充、高溫、過(guò)放電更容易生成鋰枝晶，鋰枝晶是動(dòng)力電池?zé)崾Э氐闹饕收袭a(chǎn)生原因。

（2）通過(guò)引發(fā)動(dòng)力電池的熱失控導(dǎo)致動(dòng)力電池起火的原因，提出動(dòng)力電池在使用過(guò)程存在的各種安全隱患，通過(guò)故障診斷分析對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池在使用過(guò)程中的隱患進(jìn)行排除，優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)駕駛、充電和使用環(huán)境下的合理安全方案，有效提升電動(dòng)汽車(chē)的使用安全性和可靠性。

（3）電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池在各種工況下存在熱失控自燃機(jī)率，在駕駛和使用過(guò)程中，應(yīng)建立防患意識(shí)，尤其電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生碰撞事故后，應(yīng)迅速離開(kāi)車(chē)輛，避免造成人身傷害。

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專(zhuān)家推薦語(yǔ)

吳杰余

東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

新能源汽車(chē)總師? 研究員級(jí)高級(jí)工程師

如何避免電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)崾Э兀钱?dāng)前的熱門(mén)話題，本文基于電池內(nèi)部鋰枝晶的形成過(guò)程和熱失控發(fā)展過(guò)程，分析其誘因，提出熱失控故障診斷的思路，值得借鑒。