胡棋威，彭元亭，李文斌

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

鋰離子電池與其它傳統(tǒng)二次電池相比具有比能高、功率性能出色等優(yōu)勢。因而，鋰離子電池不僅在電子消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域成熟應(yīng)用，還逐漸拓展于新能源汽車、電動(dòng)游船及儲(chǔ)能領(lǐng)域。隨著鋰離子電池逐漸拓展到高能量、高功率要求的應(yīng)用領(lǐng)域，鋰離子電池的大規(guī)模成組使用成為其發(fā)展的必然趨勢。

然而，安全性問題則是鋰離子電池大規(guī)模應(yīng)用的重要阻礙之一。因?yàn)椴牧象w系及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋰離子電池在過溫、過充或短路的條件下，會(huì)誘發(fā)電池內(nèi)部發(fā)生一系列放熱反應(yīng)，致使電池溫度升高，高溫則會(huì)進(jìn)一步加快放熱反應(yīng)速率，導(dǎo)致電池放熱和溫升兩方面呈相互促進(jìn)的失控狀態(tài)，即“熱失控”，最終導(dǎo)致電池出現(xiàn)燃燒，甚至爆炸等安全事故[1]。因而，一定程度上可以說安全問題是鋰離子電池的固有問題。鋰離子電池單獨(dú)或小規(guī)模串并聯(lián)使用時(shí)，其安全問題基本可以得到控制，但當(dāng)鋰離子電池大規(guī)模成組使用時(shí)其安全問題則會(huì)較為凸顯，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，電池組內(nèi)個(gè)別單體發(fā)生“熱失控”，可能會(huì)在電池組內(nèi)連鎖傳播，導(dǎo)致整個(gè)電池組發(fā)生非常嚴(yán)重的燃燒、爆炸事故；其次，鋰離子電池組大功率的使用特點(diǎn)導(dǎo)致發(fā)熱量巨大，同時(shí)大量單體的緊密堆積使電池組散熱更加困難[2]，因而電池組容易因?yàn)闇囟冗^高而帶來安全隱患；最后，鋰離子電池成組使用時(shí)，由于單體數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單體的一致性篩選匹配及一致性管理問題更為困難，這使得電池組內(nèi)“短板”電池容易過度老化，從而在使用過程中更易發(fā)生安全事故[3]。

因而，對解決鋰離子電池組的安全問題而言，在提高電池單體安全性的同時(shí)，從電池組系統(tǒng)角度入手，強(qiáng)化鋰離子電池成組安全技術(shù)也顯得非常必要而急迫。本文從電池組管理、冷卻、安全結(jié)構(gòu)、應(yīng)急安全技術(shù)等方面概述鋰離子電池成組安全技術(shù)的重要意義及研究進(jìn)展。

1 鋰離子動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)

鋰離子電池組管理系統(tǒng)（Battery Management System BMS）一般具有參數(shù)監(jiān)測、故障判斷、報(bào)警與處理、充放電控制、均衡、人機(jī)交互等功能，不僅能維持電池組高效長壽運(yùn)行，還能保證電池組安全可靠運(yùn)行。BMS與安全最為密切的是參數(shù)監(jiān)測技術(shù)與均衡技術(shù)。參數(shù)監(jiān)測技術(shù)通過監(jiān)測電池組及單體的狀態(tài)參數(shù)，從而判斷是否出現(xiàn)安全隱患，為 BMS的安全保護(hù)功能提供依據(jù)。而均衡技術(shù)通過電能消耗及轉(zhuǎn)移的方式以保證電池組在充放電過程中單體工作狀態(tài)的一致性，從而防止電池組內(nèi)個(gè)別單體出現(xiàn)過充放及加速老化等安全隱患。

1.1 參數(shù)監(jiān)測技術(shù)

早期參數(shù)監(jiān)測技術(shù)主要通過監(jiān)測電池組內(nèi)部單體的表面溫度、電壓、電流等參數(shù)，來判斷電池組安全狀態(tài)。但單純監(jiān)測上述參數(shù)不能及時(shí)全面的反映電池組的安全狀態(tài)。Mutyala[4]等使用彈性薄膜熱電偶植入單體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度的原位測量，使 BMS對單體過溫響應(yīng)更迅速。文獻(xiàn)[5]中通過對煙霧火焰、碰撞的監(jiān)測，使 BMS在電池組中出現(xiàn)煙霧火焰時(shí)，或電池組遭受嚴(yán)重碰撞時(shí)，迅速采取相應(yīng)措施。文獻(xiàn)[6]通過預(yù)測電池組中各單體健康狀態(tài)（State of Health，SOH），并告之用戶各單體健康狀態(tài)，以提前更換壽命終結(jié)的單體，避免老化單體帶來的潛在危險(xiǎn)。

1.2 均衡

傳統(tǒng)均衡技術(shù)一般以電池組內(nèi)各單體電壓作為均衡判斷依據(jù)。該均衡技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是電壓并不能真實(shí)反映電池組容量狀態(tài)的一致性[7]，電壓均衡的穩(wěn)定性和一致性也并不理想[8]。文獻(xiàn)[8]，[9]分別使用開路電壓SOC算法和擴(kuò)展卡爾曼濾波 SOC算法，以各單體SOC作為均衡判斷依據(jù)，對鋰離子電池組進(jìn)行均衡，避免了上述問題，并減少了由放電深度的不同而導(dǎo)致的電池老化速度差異，從而更有效的改善電池組不一致性問題[7]，減少了一致性帶來的安全隱患。

傳統(tǒng)均衡技術(shù)一般使用耗散型均衡電路，該均衡技術(shù)將電池組內(nèi)除電量最低電池外所有電池的電量通過旁路電阻消耗掉，會(huì)帶來熱量積累問題，對大型電池組安全性存在影響[10]。文獻(xiàn)[11],[12]使用電量轉(zhuǎn)移型均衡電路，用電容、電感以及開關(guān)等元件，采取常見的電源變換電路，實(shí)現(xiàn)單體間或單體-電池組間的電量轉(zhuǎn)移；元件儲(chǔ)存能量和單體電量間的轉(zhuǎn)換，極大減少了均衡產(chǎn)熱，不僅能量流向更自由，更加節(jié)能，還有著更好的安全性。

2 鋰離子電池組冷卻技術(shù)

鋰離子電池在充放電過程中，持續(xù)產(chǎn)生電化學(xué)熱和焦耳熱等[13]。而電池組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大量單體的產(chǎn)熱積累會(huì)造成局部過熱或溫度不均勻，進(jìn)而容易導(dǎo)致熱失控或電池一致性變差誘發(fā)安全問題。電池組冷卻技術(shù)，一方面可以使電池組在安全的溫度范圍內(nèi)工作，防止“熱失控”的發(fā)生和傳播[14]；另一方面，通過減小電池組的溫差可以減緩組內(nèi)單體的一致性差異的擴(kuò)大，增強(qiáng)電池組的安全性[15]。因而，增強(qiáng)冷卻技術(shù)的冷卻效果和冷卻的溫度均勻性，都能更好的保障電池組安全。目前鋰離子電池組常見的冷卻技術(shù)包括：空氣冷卻、液體冷卻和相變材料（Phase Change Material，PCM）冷卻。

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻使用風(fēng)扇等設(shè)備帶動(dòng)氣體流經(jīng)電池組對其進(jìn)行冷卻。許多電動(dòng)汽車，如豐田Prius和 Enerl的Think City都采用這種散熱方式來增強(qiáng)車內(nèi)鋰離子電池組的安全性?？諝饫鋮s雖然是目前最為成熟、簡單的冷卻方式，但空氣冷卻的冷卻效果和冷卻溫度均勻性都較差，難以在復(fù)雜工況下維持電池組溫度和溫度均勻度在安全范圍內(nèi)[16]。

2.4.1種子種苗良莠不齊種子種苗是保障中藥材原材料品質(zhì)的重要源頭，而鎮(zhèn)內(nèi)良種繁育基地僅有1個(gè)覆盆子快繁基地，建設(shè)規(guī)模小，無標(biāo)準(zhǔn)化，也鮮有種植戶或科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行品種選育，中藥材的種子種苗幾乎都是來源于其他地區(qū)或是當(dāng)?shù)匾吧Y源的人工馴化，有的農(nóng)戶甚至直接將野生植株移栽到自家場地中，形成一個(gè)場內(nèi)有多種資源存在，導(dǎo)致中藥材質(zhì)量良莠不齊。

為了增強(qiáng)空氣冷卻的冷卻效果，豐田Prius使用車廂空調(diào)降低冷卻介質(zhì)溫度，使接觸電池的循環(huán)空氣溫度更低。Enerl的Think City和文獻(xiàn)[17]則分別采用鋁制導(dǎo)熱槽和泡沫狀鋁板增加電池與空氣的換熱面積來增強(qiáng)冷卻效果。

針對空氣冷卻溫度分布不均勻的問題，Mahamud[28]等設(shè)計(jì)了一種往復(fù)式的空冷方案，通過定時(shí)改變空氣循環(huán)方向，當(dāng)周期為120 s時(shí)，比相同條件下正?？绽湎聠误w間最大溫差減小了72%。Pesaran等[19]則建議將冷卻空氣流道由傳統(tǒng)平行于電池排列方向替換為垂直于電池排列方向，以減小單體離入風(fēng)口距離的不同所帶來的較大溫差。另外，文獻(xiàn)[20]和[21]通過在磷酸鐵鋰電池組的冷卻風(fēng)道中安放起導(dǎo)流和調(diào)節(jié)流速作用障礙物，來改善電池組溫度一致性。

2.2 液體冷卻

液體冷卻通常將裝載循環(huán)液體的管道安裝在電池模塊間；或把模塊直接放置在液體中，用循環(huán)液吸收電池?zé)崃?，再通過制冷設(shè)備、風(fēng)扇或自然對流，將循環(huán)液熱量吸收。液體冷卻的冷卻效果和冷卻溫度的均勻性均優(yōu)于空氣冷卻，因而部分廠家開始液體冷卻來代替空氣冷，如特斯拉的Model S和通用Volt兩款電動(dòng)汽車均采用液體冷卻控制電池組溫度[3]。

目前，液體冷卻的主要問題包括：管道制約了電池與冷卻液體間的換熱效率，影響了冷卻效果；若冷卻液泄漏，可能導(dǎo)致安全事故[22]；復(fù)雜的管道、泵、風(fēng)扇、甚至用于制冷的壓縮機(jī)等笨重輔件增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)可靠性。

針對管道對換熱的制約問題，GM的 Volt將冷卻管道制成厚度僅1 mm的散熱片形狀，以增強(qiáng)冷卻介質(zhì)與電池間的傳熱，強(qiáng)化了液冷冷卻效果，增強(qiáng)了電池組安全性[3]。

為了降低液體冷卻復(fù)雜性，文獻(xiàn)[24]將冷卻液封閉在熱管中，通過液體熱端蒸發(fā)-冷端凝結(jié)過程，將電池?zé)崃繋ё?，從而不需要泵、壓縮機(jī)等笨重輔件，使液體冷卻系統(tǒng)更為簡潔，可靠性更高。

2.3 PCM冷卻技術(shù)

Al-Hallaj等于2000年首次將PCM冷卻作為鋰離子動(dòng)力電池組冷卻方案[25]。目前用于鋰離子電池冷卻的 PCM 有石蠟、脂肪酸、水合鹽等。PCM冷卻將電池組浸入PCM中，由于PCM具有巨大相變潛熱，因而能在其相變過程吸收大量熱量，并保持自身溫度不變，以控制電池組溫度及溫差，避免電池組局部溫度過高引發(fā)熱失控。由于PCM冷卻不需要電氣結(jié)構(gòu)、流道結(jié)構(gòu)，因而系統(tǒng)構(gòu)造簡單，可靠度高，系統(tǒng)安全性較高。

PCM 冷卻的優(yōu)勢在于維持電池組溫度的均一性，但是 PCM 通常熱導(dǎo)率極低，制約了PCM的冷卻效果[26]。因而，PCM冷卻的研究集中在冷卻效果的提升上。另外，PCM冷卻依靠非放電期間釋放 PCM 吸收的熱量，若遇到連續(xù)的快速大功率充放電時(shí)，存在 PCM 潛熱耗盡，冷卻能力極大降低的安全隱患[25]。

文獻(xiàn)[27],[28],[29]通過在PCM中增加導(dǎo)熱劑、金屬散熱翅或用高導(dǎo)熱多孔材料如泡沫金屬或膨脹石墨矩陣來吸收 PCM，以增加 PCM導(dǎo)熱系數(shù)，改善PCM冷卻效果。文獻(xiàn)[14]研究了石墨增強(qiáng)導(dǎo)熱后的 PCM 冷卻的鋰離子電池組在熱濫用條件下的安全性，發(fā)現(xiàn)冷卻下阻止了原本會(huì)發(fā)生的熱失控傳播現(xiàn)象。

文獻(xiàn)推薦將 PCM 冷卻和空氣冷卻耦合使用，這樣既能得到優(yōu)于空氣冷卻的冷卻效果和溫度均一性，又能避免潛熱耗盡的安全隱患。Javani等發(fā)現(xiàn)將電池組浸入PCM（十八烷）中后再使用液冷冷卻PCM，既避免了PCM潛熱耗盡，還比單獨(dú)液冷的冷卻效果更好。

3 安全結(jié)構(gòu)技術(shù)

安全結(jié)構(gòu)技術(shù)通過控制熱失控單體所產(chǎn)生的熱量、危險(xiǎn)噴射物質(zhì)等危險(xiǎn)的因素的傳播，來降低安全事故造成的危害，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)電池組的安全保護(hù)。

3.1 熱、沖擊傳播阻斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Tesla公司在其汽車鋰離子電池組的專利中設(shè)計(jì)了一種由隔熱材料和彈性材料復(fù)合制成的隔離板，放置于電池模塊不同列單體之間，以此來減少熱失控時(shí)，單體間熱量的傳播，并吸收爆炸沖擊力，實(shí)現(xiàn)熱、沖擊的阻斷。Berdichevsky等在電池外部增加導(dǎo)熱板材來強(qiáng)化電池與冷卻介質(zhì)間的傳熱，并將絕熱阻燃板材和反射輻射的金屬板放置于不同電池層之間，通過降低不同電池層間的熱傳導(dǎo)和熱輻射來阻斷熱失控時(shí)熱量的傳播。Rawlinson在鋰離子電池包中設(shè)計(jì)了多個(gè)裝載液體或高熔點(diǎn)低導(dǎo)熱系數(shù)的材料的空心橫梁，不僅將電池包分割成多個(gè)組，延緩了各組之間熱失控傳播速度，還能將側(cè)面沖擊力均勻分布到橫梁，吸收沖擊能量。

3.2 閥泄通道設(shè)計(jì)

合理的閥泄通道設(shè)計(jì)能隔離火焰、高溫噴射物質(zhì)，避免直接加熱單體。Chow為電池組中每個(gè)單體設(shè)計(jì)了獨(dú)有的閥泄通道，避免閥泄物質(zhì)直接加熱其它單體。Hore等在專利中設(shè)計(jì)的電池組能在檢測到單體安全閥打開時(shí)，噴射CO2驅(qū)逐閥泄氣體，使之稀釋、降溫，并沿預(yù)設(shè)通道排出電池組，抑制危險(xiǎn)在電池組內(nèi)擴(kuò)散。

3.3 電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熔斷器能在單體電流過大時(shí)永久切斷電路，為電池組提供不可逆的一次保護(hù)。正溫度系數(shù)電阻在溫度升高后，電阻隨之上升，以降低流過的電流，減小焦耳熱，為電池組提供可逆的自動(dòng)斷流保護(hù)。

這類技術(shù)應(yīng)用很廣泛，如美國 TESLA汽車的鋰離子動(dòng)力電池組的每只電池內(nèi)均裝有PTC電阻，每只電池兩端均連接保險(xiǎn)絲，而且每一個(gè)電池模塊還設(shè)有主保險(xiǎn)絲，用以保護(hù)電池組安全。Spitzer等使用 8×12 個(gè)SONY18650HC電池組成電池模塊，測試了濫用條件下PTC對電流的作用，發(fā)現(xiàn)短路后2秒內(nèi)PTC將電流從40 A降到10 A，另一組測試中，電流從2 s內(nèi)從55 A降到10 A。

4 應(yīng)急安全技術(shù)

應(yīng)急安全技術(shù)在探測到部分單體熱失控時(shí)，通過主動(dòng)噴射出惰性氣體/制冷劑，直接撲滅火焰，冷卻電池，從而為整個(gè)電池組安全提供保障。

Cittanova等提出一種惰性氣體噴射滅火的設(shè)計(jì)，通過在鋰離子電池組中增加裝載有二氧化碳或者氮?dú)馀c氬氣的混合物的罐體，在探測到異常情況時(shí)，使這些高壓惰性氣體噴射到電池周圍，驅(qū)逐可燃?xì)怏w和氧氣，并帶走一定熱量，對火焰和熱量傳播有一定抑制作用。Norden等在這種惰性氣體阻燃方案的基礎(chǔ)上，在鋰離子電池組中額外增加吸收了液體的分子篩，當(dāng)電池溫度過高時(shí)，不僅會(huì)噴射惰性氣體，分子篩中的液體還會(huì)氣化吸熱，以控制火焰，冷卻電池。進(jìn)一步的，Bandhauer等在專利中提出一種冷卻液噴射滅火的鋰離子電池組設(shè)計(jì)。正常使用時(shí)，制冷劑以高壓液態(tài)形式儲(chǔ)存在罐中，當(dāng) BMS檢測到出現(xiàn)熱失控等緊急情況時(shí)，高壓制冷劑（R-123）從預(yù)設(shè)管道噴出，撲滅火焰、在失控電池表面氣化，吸收大量熱量，并稀釋可燃電解液，從而撲滅火焰，迅速冷卻電池，保護(hù)整個(gè)電池組安全。

5 結(jié)論

鋰離子動(dòng)力電池 BMS通過充放電控制、均衡，并監(jiān)測電池組參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了對電池組安全問題的預(yù)防及安全保障。并且隨著BMS技術(shù)逐漸成熟，BMS對安全隱患判斷的準(zhǔn)確性和全面性全面提升，對單體一致性問題改善更加有效，均衡電路熱問題逐漸解決。

冷卻技術(shù)一方面保證電池組在安全的溫度范圍內(nèi)工作，防止“熱失控”的發(fā)生和傳播；另一方面減小電池組的溫差，減緩組內(nèi)單體的一致性差異的擴(kuò)大，增強(qiáng)電池組的安全性。液體冷卻從冷卻效果和冷卻溫度均一性來說，安全性最高，適合大型電池組?？諝饫鋮s結(jié)構(gòu)簡單，但冷卻效果、溫度均一性較差；PCM冷卻溫度均一性好，冷卻效果適中，能在工況較溫和情況下保證小型電池組安全。未來，多種冷卻方式耦合使用具有較好前景。

安全結(jié)構(gòu)技術(shù)通過阻止已失控單體所產(chǎn)生的熱沖擊、噴射物質(zhì)等危險(xiǎn)因素的傳播，來達(dá)到控制、阻斷安全事故的形成和擴(kuò)散。應(yīng)急技術(shù)在電池組出現(xiàn)燃燒爆炸時(shí)，主動(dòng)撲滅火焰。但這兩類技術(shù)處于專利概念階段，需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作。

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