新能源汽車動力電池過充電分析與安全管理研究

摘要：動力電池是新能源汽車核心部件之一，然而其在使用過程中存在過充電和電池熱失控，引發(fā)自燃或爆炸，嚴重威脅乘客的人身和財產安全?；诖耍瑥男履茉雌噭恿﹄姵氐氖褂冒踩嵌瘸霭l(fā)，對目前動力電池過充電引起的熱失控進行綜述，總結了最新的研究成果，分析新能源汽車動力電池形成過充電的原因，梳理避免過充電引發(fā)的熱失控的最新技術和策略。研究結論為未來面向實車安全運行的動力電池過充熱失控防控新技術研究提供了思路。

關鍵詞：新能源汽車；充電系統(tǒng)；安全；故障診斷

中圖分類號：U469.7" 收稿日期：2024-11-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502024

1 前言

隨著環(huán)境保護和節(jié)能減排越來越受到重視，出行者逐步采用環(huán)境友好型的出行方式。根據中國汽車流通協會乘用車市場信息聯席分會提供的數據，2024年1—11月的新能源汽車銷量如圖1所示。新能源汽車逐步走進千家萬戶，國產新能源汽車品牌像雨后春筍不斷興起，成為人們出行的首選交通工具。

根據商用車產教聯盟平臺提供的數據，2024年1—8月，新能源汽車動力電池裝機量整體呈上升趨勢，如圖2所示。動力電池作為新能源汽車能量來源扮演著越來越重要的角色。新能源汽車動力電池主要有磷酸鐵鋰電池、鋰電池、鎳氫電池等。鋰離子電池由于其優(yōu)異的特性而成為新能源汽車的首選，該電池具有壽命長、放電率低和能量密度高的優(yōu)點，并且安全系數高，是各個新能源汽車生產廠家的首選。

然而，在新能源汽車不斷增多的同時，也帶了不少困惑。新能源汽車在日常使用過程中，難免會出現機械碰撞、高溫暴曬和過充電等極端情況，極容易出現自燃和爆炸。目前出現的新能源汽車事故中，電池工作過程中的過充電行為是動力電池熱失控的主要原因，嚴重的熱失控會出現汽車的自燃和爆炸。對于新能源汽車來說，電池起火甚至爆炸，其主要原因均是電池的熱失控[1]。

近年來，各新能源汽車生產廠家為了提高車輛的續(xù)航里程，選用高能量密度的三元鋰電池作為動力電池。三元鋰電池自燃主要是自燃溫度低和特定情況下的熱失控。該電池由于穩(wěn)定性較差，使用過程中的安全性存在著不確定。目前國內外對新能源汽車安全性的研究主要局限于電池的安全性，并未對整車進行全維度失效模式的分析[2]。

2 新能源汽車動力電池過充安全性分析

新能源汽車的動力電池故障較多，而電池的過充是常見且容易忽略的故障。

電池發(fā)生過充的原因是當電池管理系統(tǒng)發(fā)生故障時，不能對電池進行自動監(jiān)管，對充電完畢的動力電池不能實現斷開的功能，致使繼續(xù)充電成過充狀態(tài)。此種狀態(tài)下的電池會產生不可逆的破壞。因此，動力電池的安全性對駕駛員和乘客來說就會顯得非常重要。

21 新能源汽車動力電池過充熱失控觸發(fā)原因

a.外部原因。

新能源汽車在道路正常行駛時，會受到來自于道路和天氣因素的影響，個別的外部影響因素對動力電池會產生一定的影響，甚至破壞，這就增加了電池過充電的意外風險。經過市場調研和資料的整合分析，對代表性的案例進行剖析[3]。

我國南北跨度較大，溫度和氣候對新能源汽車的動力電池的影響也十分顯著，其充電的環(huán)境維度和充電器的適配性是最主要的環(huán)境因素。而新能源汽車駕駛員對汽車在寒冷天氣的緊急加速和制動的不正當操作，被認為是人為因素，對電池的健康狀態(tài)也會產生一定的影響，極易產生過充現象。人為因素和環(huán)境因素都可以對動力電池在服役過程中的健康產生一定的影響，增加了電池充電過程中的過充風險，也會促使熱失控頻頻發(fā)生。

b.內部原因。

新能源汽車的電池管理系統(tǒng)俗稱電池的保姆或電池的管家，主要作用是負責整個驅動電池箱的監(jiān)控工作。該系統(tǒng)被稱為電池的大腦，負責整個電池箱和單個電池的監(jiān)控工作。由于電池管理系統(tǒng)和傳感器自身問題，導致信號傳遞不暢、數據缺失和切斷電路的執(zhí)行器存在異常，當充電電壓達到截止電壓時不能及時的斷電，就會造成過充電現象的發(fā)生。

22 動力電池過充熱失控特征

a.放熱反應。

針對動力電池放熱反應，實際使用過程中存在各種各樣的濫用行為，其中后果最嚴重的是過充造成的熱失控。動力電池的過充是當電池已經達到飽和狀態(tài)時，仍繼續(xù)充電，讓電池處于過飽和狀態(tài)。電池內部集聚過多的熱量無法進行快速的釋放，這部分熱量可以讓電池的溫度短時間內急劇升高，就會出現電池的熱失控現象。一般發(fā)生熱失控現象后，會釋放大量的熱，熱量的產生主要來自于電池自身發(fā)生的歐姆反應和其他副反應[4]。

b.釋放氣體。

鋰離子電池在進行充電的過程中，它的正極處就會發(fā)生脫嵌。過度充電就會促使正極發(fā)生過度脫嵌。過度脫嵌可以增加正極活性物質在電解液中的活性，產生大量的氣體，鋰離子電池的正極也因發(fā)生脫嵌造成不可逆的結構損壞。正極材料發(fā)生脫嵌后，隨著電池溫度的不斷上升，正極處就會分解和產生大量的氧氣?；瘜W反應產生的氧氣可以加速電解質的分解，產生氫氣、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等高溫氣體，直至電池出現熱失控和起火。

c.特征的不確定性。

動力電池的熱失控特征具有不確定性和故障現象難復現的特點。研究人員對電池出現的熱失控現象進行分析，并嘗試在相同的試驗裝置條件下對這些特征進行復現。目前新能源汽車鋰離子電池的熱失控現象確定性不明顯，相同的試驗條件難以得出想要的結果。例如，相同的鋰離子電池和同樣的試驗條件會發(fā)生過充熱失控，而在其他的復現試驗中卻未出現相同的特征，僅僅出現了變形膨脹和少量的冒煙等輕微的現象。Wang 等[5]發(fā)現，磷酸鐵鋰電池在電池健康狀態(tài)大于80%且過充倍率大于1倍充電倍率時，電池會發(fā)生爆炸；更低的電池健康狀態(tài)和更小的電流下不會發(fā)生爆炸。

新能源汽車動力電池的種類繁多，每個電池的健康程度不盡相同，同一品牌的電池也有諸多的結構差異，充電的策略也略有區(qū)別。在實驗室進行故障特征復現時，這些不同給實驗結果帶來了諸多的不確定性。另外，部分帶有危險性的實驗難以在實驗室進行。實際的故障數據也很難搜集。種種困難造成了過充-熱失控未能形成一個統(tǒng)一的官方測試標準。未來隨著技術的提高，實驗手段的不斷豐富，這些困難都能很好的解決。

3 動力電池過充熱失控防控技術

新能源汽車動力電池過充和熱失控一直影響著新能源汽車的發(fā)展，也是很多消費者的顧慮。消除購買者對新能源汽車的安全顧慮，一直是科技工作者努力的方向。目前，對于鋰離子電池的過充和熱失控的現象，采用內部保護措施和外部保護措施進行避免。內部保護和外部保護又可細分為多項具體的防護策略。

31 外部保護措施

a.過充電保護電路。

過充現象給新能源汽車使用者帶來了不少煩惱，如何規(guī)避電池的過充顯得尤為重要。過充電保護電路就是其中的一種有效措施，在部分鋰離子電池生廠廠家得到很好的普及。過充電保護電路檢測到充電電壓超過了動力電池的滿電電壓時，就會斷開充電線路，這樣充電就會立刻停止，阻止了電池過充電的可能性。

然而，新能源汽車動力電池單純依靠充電保護電路并不能完全避開過充電。隨著新能源汽車在長期使用過程中的性能退化，動力電池自身的退化也無法避免。當動力電池的性能和電路存在不同程度的老化時，充電時間會不斷地縮短，致使充滿電的電壓低于出廠時企業(yè)設定的電壓值，直至無法正常充電。這種情況下充滿電的動力電池沒有達到保護電路設定的斷電閾值，保護電路無法開啟保護功能，仍會出現過充電和熱失控的發(fā)生。因此僅僅依靠保護電路并不能完全避免過充電的產生，還需要增加其他的保護措施。目前最新的保護電路主要由控制IC、MOS管、電阻電容以及保險絲等元件組成，它們組成一道道保護屏障，防止電池過充產生的意外。

b.安全閥。

動力電池的安全閥具有很多種作用，其中最主要的作用是當電池內部的壓力達到設定的臨界值時，安全閥就會打開排氣孔進行減壓，同時也會斷開外接電路起到斷流的作用。這樣就不會因為過充現象而使電池內部溫度過高，可以很好避免因壓力過高導致的熱失控和爆炸。Huang等[6]進行了過充對比試驗，探究是否使用安全閥對電池安全性的影響。該對比實驗表明，安全閥的正確使用可以實現過充電引發(fā)的熱失控具有更低的溫度和電壓，不容產生起火和爆炸，起到安全保護的作用。

目前，寧德時代研發(fā)出一種新型的安全閥，該安全閥又名防爆閥。該閥門通過彈性構件的設置，改善了氣密封性和液密封性，顯著提升了防腐蝕效果。

c.正溫度系數材料。

應用正溫度系數材料（positive temperature coefficient，PTC）可以有效防止動力電池過充電-熱失控。PTC材料的特性表現為溫度升高可以使材料的電阻不斷增大。PTC在動力電池得到一定的應用，主要是將PTC添加到每個單體電池上面。動力電池在發(fā)生過充電時溫度不斷上升，當溫度達到一定數值時，PTC就會增大電阻，阻礙電流的持續(xù)變大，將電池極板進行有效短路，保護動力電池免于破壞。

d.電池管理系統(tǒng)優(yōu)化。

電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）負責動力電池的安全，主要用于電池的狀態(tài)監(jiān)測、充電控制和安全保護，屬于新能源汽車動力系統(tǒng)核心部件。BMS正常過程中可以有效監(jiān)測每個單體電池的狀態(tài)，及時察覺電池的健康狀況，確保駕駛員和乘客的人身和財產安全。如果BMS存在故障，就無法監(jiān)測到電池的過充電，致使無法避免熱失控現象。當前技術人員通過改進BMS，采用平衡策略可以有效避免由于電池不一致性而出現的故障，以此提升電池的安全性。

32 內部保護措施

a.改進電極材料。

鋰離子電池的電極材料有很多種類，主要是磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰和三元材料。電池的性能主要取決于電極材料和電池電解質的性質。電池生產出來后，電極材料就會固定不變了，改進電極材料可以有效提升動力電池的耐過充性，材料的改進主要通過表面涂層來實現。

目前涂層的材料主要是添加鈷、鋁和銅等離子。在電池的正極摻雜含有鋁離子涂層是最常用的一種方法，還可以通過鎢含銅、鎳、錳?和鎂離子等材料防止動力電池過充及熱失控。負極材料的改進，主要是改善粘結劑，粘度不一樣則耐過充屬性不同。在正極材料上，科研人員研究用錳酸鋰、三元材料等替代鈷酸鋰，顯著提高了電化學性能和安全性，同時增強了電池的能量密度和循環(huán)壽命。負極材料中，硅替代了石墨，大大提升了充放電速度和能量密度。?

b.電壓敏感隔膜。

電壓敏感隔膜是一種多孔隙薄膜，安裝在電池內部，可以有效提升動力電池的耐過充性。電壓敏感隔膜通常由聚對苯（PPP）和聚苯胺（PAn）復合而成。在動力電池發(fā)生過充時，電壓敏感隔膜的電阻會顯著降低，充電電池內部就會起到分流作用，阻止電池進行充電，保護動力電池免于過充的損害。納米復合材料、生物基材料等，這些新材料具有更優(yōu)異的性能和更低的成本，有望在未來成為動力電池隔膜的主流材料。

c.電解液添加劑。

電解液添加劑是為了改善電解液的電化學性能而加入的少量添加物，對提高動力的耐充電性具有一定的作用。電化學聚合物添加劑是常用的一種電解液添加劑，主要包括聯苯、環(huán)己基苯、二甲苯、噻吩、吡咯等。除上述常用的添加劑，Wang等[7]使用了一種含有可以智能調節(jié)電解質pH的鋅碘液流電池（SR-ZIAB），當電池出現過充時會立刻斷電，能起到防止過充的作用。在新能源浪潮的推動下，電解液添加劑層出不窮，目前最新的電子級碳酸亞乙烯酯（electronic grade vinylene carbonate，EGC）作為鋰電池電解液的關鍵添加劑，正逐步成為市場矚目的焦點。

4 結語

動力電池是新能源汽車動力系統(tǒng)的核心部件。在驅動汽車安全行駛中具有不可替代作用。然而，大量的新能源汽車投放到市場中會出現很多的安全問題，過充電就是其中最顯著的故障，電池過充電嚴重時引發(fā)的熱失控和起火就是最具影響的安全問題。動力電池在新能源汽車實際使用過程中由于多種因素而存在過充的風險，導致電池快速老化和容量下降等不可逆損壞。電池的過充引發(fā)熱失控，短時間產生大量熱量和高溫氣體，導致其著火或者爆炸。

本文對動力電池過充電引發(fā)的熱失控原因進行分析，匯總了多種避免發(fā)生過充電和熱失控的方法，未來需要結合最新技術和大數據對動力電池發(fā)生過充現象進行監(jiān)測。基于新能源汽車國家監(jiān)測與管理平臺，采集實際運行數據，利用大數據和人工智能技術，建立面向實車運行的動力電池過充電、熱失控語境模型，進而有效預防事故的發(fā)生。

參考文獻：

[1]Sun P，Bisschop R，Niu H，et alCorrection to：A Review of Battery Fires in Electric Vehicles[J]Fire Technology，2020，56（4）：1411-1417

[2]尚蛟我國新能源汽車安全情況淺析[J]汽車工業(yè)研究，2020（1）：34-37

[3]何忠青，王勃洋，石強，等國內新能源乘用車起火事故分析[J]汽車文摘，2024（5）：23-30

[4]Meng LResearch and analysis of electric vehicle fire accidents and review of lithium-ion battery thermal runaway mechanism[J]International Journal of New Developments in Engineering and Society，2022，38（17）：4507-4511

[5]Wang Congjie，Zhu Yanli，Gao F，et alThermal runaway behavior and features of LiFePO4/graphite aged batteries under overcharge[J]International Journal of Energy Research，2020，44（7）：5477-5487

[6]Huang L，Zhang Z，Wang Z，et alThermal runaway behavior during overcharge for large-format Lithium-ion batteries with different packaging patterns[J]Journal of Energy Storage，2019，25（Oct）：1008111-1008117

[7]Wang F，Tseng J，Liu Z，et alA Stimulus-responsive zinc-iodine battery with smart overcharge self-protection function[J]Advanced materials，2020，32（16）：2000287

作者簡介：

劉國，男，1988年生，講師，研究方向為運載裝備關鍵技術。

侯志華（通訊作者），男，1982年生，教授，研究方向為新能源汽車技術及教學。