劉敏 陳賓 張偉波 陳曉宇 蔣旭吟

摘 要：鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低而被廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為動(dòng)力的主要來(lái)源。然而，在實(shí)際使用中鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)可能發(fā)生機(jī)械碰撞、擠壓、針刺、過(guò)充電、過(guò)放電、內(nèi)短路及過(guò)熱等異常情況，由此造成的熱失控極易引起動(dòng)力電池系統(tǒng)著火甚至爆炸的危險(xiǎn)情況。為此，本文對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控的發(fā)生誘因展開(kāi)研究，并著重分析國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及相關(guān)的抑制手段。

關(guān)鍵詞：熱失控;動(dòng)力電池系統(tǒng)

1 引言

由鋰離子電池組成的動(dòng)力電池系統(tǒng)具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率小等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于新能源的各個(gè)領(lǐng)域，以減少溫室氣體的排放。然而，在實(shí)際使用中鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生碰撞、過(guò)充過(guò)放、短路等濫用情況，從而引發(fā)熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

為防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生，本文研究了動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控的發(fā)生誘因及相關(guān)的抑制手段。

2 動(dòng)力電池?zé)崾Э匕l(fā)生誘因

熱失控是指電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象。造成動(dòng)力電池?zé)崾Э匕l(fā)生的誘因主要有機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用。

2.1 機(jī)械濫用

動(dòng)力電池系統(tǒng)的機(jī)械濫用情況，是指碰撞、擠壓、穿刺、振動(dòng)等外力作用下，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，自身不同部位發(fā)生相對(duì)位移的情況。機(jī)械濫用發(fā)生后可能會(huì)撕裂電池單體隔膜，使電池單體發(fā)生內(nèi)部短路現(xiàn)象。強(qiáng)烈的擠壓和穿刺發(fā)生時(shí)電池單體的易燃電解質(zhì)泄漏，則會(huì)引起電池包乃至電動(dòng)汽車(chē)的燃燒。

2.2 電氣濫用

2.2.1 外短路

動(dòng)力電池系統(tǒng)的外短路一般是由于汽車(chē)碰撞引起的變形，浸水，導(dǎo)體污染或維護(hù)期間的電擊等情況所引起，此時(shí)當(dāng)存在壓差的兩個(gè)導(dǎo)體在電芯外部接通時(shí)，外部短路就發(fā)生了。外部短路釋放的熱量并不會(huì)直接加熱電池，只有當(dāng)外部短路產(chǎn)生的熱量無(wú)法很好的散去時(shí)，電池溫度才會(huì)上升，從而觸發(fā)熱失控。

2.2.2 過(guò)充電

動(dòng)力電池系統(tǒng)的過(guò)充電主要是由于充電機(jī)故障、或BMS未能監(jiān)控到每單個(gè)電池的電壓而造成的。由于過(guò)充時(shí)電池的能量是充滿的，所以過(guò)充電也是電氣濫用中危害最大的一種。

2.2.3 過(guò)放電

動(dòng)力電池系統(tǒng)的過(guò)放電主要是發(fā)生在BMS監(jiān)控故障，導(dǎo)致最低電壓的電芯被過(guò)放電的現(xiàn)象。在過(guò)放電期間，如BMS無(wú)法及時(shí)在電池組中具有最低電壓電池單體達(dá)到截止電壓時(shí)停止電池放電，則具有最低電壓的電池可以被串聯(lián)連接的其他電池強(qiáng)制放電，從而電池極點(diǎn)發(fā)生反轉(zhuǎn)，電池電壓變?yōu)樨?fù)值，最終導(dǎo)致過(guò)放電的電池異常發(fā)熱。

2.3 熱濫用

動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱濫用現(xiàn)象很少獨(dú)立存在，往往是從機(jī)械濫用和電氣濫用發(fā)展而來(lái)，并且是最終直接觸發(fā)熱失控的一環(huán)。一旦溫度在濫用條件下異常升高，化學(xué)副反應(yīng)就會(huì)發(fā)生，隨后會(huì)產(chǎn)生熱-溫度-反應(yīng)（HTR）循環(huán)（圖1），最終形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，直至發(fā)生熱失控。

圖2顯示了NCM/石墨電極、PE基陶瓷涂層隔膜的鋰離子電池在熱失控過(guò)程中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理。溫度升高過(guò)程中，SEI膜分解、負(fù)極與電解液反應(yīng)、PE隔膜熔化、NCM正極分解、電解質(zhì)分解接連發(fā)生。當(dāng)溫度升高到300℃時(shí)，隔膜的陶瓷涂層崩潰，電池的正負(fù)極直接接觸造成大面積的內(nèi)短路，則會(huì)瞬間釋放電池的電能，導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)伴隨電解質(zhì)的燃燒。

3 動(dòng)力電池?zé)崾Э匾种剖侄?/p>

針對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э匕l(fā)生的機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用這三大誘因，其抑制手段主要分為電芯材料修飾和外部預(yù)防管理兩種。

3.1 電芯材料修飾

通過(guò)對(duì)電芯材料進(jìn)行修飾阻斷熱失控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而提升電芯的抗熱失控的能力，目前研究主要集中在對(duì)正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜四大主材的材料修飾，如對(duì)正負(fù)材料進(jìn)行表面包覆修飾防止正極材料和電解液的接觸，對(duì)正極材料摻雜金屬元素提高電芯的熱穩(wěn)定性，在電解液中添加阻燃添加劑，開(kāi)發(fā)固態(tài)聚合物電解質(zhì)，采用三層復(fù)合隔膜等。

對(duì)電芯材料進(jìn)行修飾雖然可以從根本上提升電池的安全性能，但是一定程度上會(huì)影響電池性能的發(fā)揮，而且當(dāng)強(qiáng)烈的機(jī)械濫用（如針刺）發(fā)生時(shí)，電池的熱失控必然會(huì)發(fā)生，所以電池的外部預(yù)防管理也是十分必要的。

3.2 外部預(yù)防管理

針對(duì)熱失控的外部預(yù)防管理措施主要分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)防、熱管理設(shè)計(jì)預(yù)防和BMS監(jiān)控三方面。

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)防

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)防熱失控的主要預(yù)防手段有增加熱障、振動(dòng)隔離、碰撞防護(hù)以及增加氣體排出點(diǎn)等。

增加熱障主要是指在電芯或模組之間增加間隔組件，阻止電芯之間、模組之間的熱傳導(dǎo)的發(fā)生;振動(dòng)隔離主要是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提高電池系統(tǒng)可靠性，比如安裝框架提供額外的結(jié)構(gòu)支撐、優(yōu)化設(shè)計(jì)電極端子提高電氣連接可靠性等;碰撞防護(hù)的要點(diǎn)是要在碰撞過(guò)程中保持電池包的結(jié)構(gòu)完整性，一般有后部碰撞防護(hù)、側(cè)面碰撞防護(hù)和正面碰撞防護(hù)，用以吸收或分散碰撞產(chǎn)生的沖擊能量;增加氣體排出點(diǎn)則是設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)在電池?zé)崾Э厥录陂g打開(kāi)的排氣噴嘴，引導(dǎo)氣體和電池材料流向遠(yuǎn)離乘員艙的方向，降低車(chē)輛損壞和相關(guān)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 熱管理設(shè)計(jì)預(yù)防

電池的散熱效率對(duì)預(yù)防熱失控十分重要，所以熱管理設(shè)計(jì)預(yù)防主要是從抑制熱擴(kuò)散方面，減輕熱失控對(duì)電池的損傷。相比較自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷，液冷是散熱效率較高的一種熱管理方式，所以增加液冷系統(tǒng)是一種有效預(yù)防電池系統(tǒng)熱失控的手段。

3.2.3 BMS監(jiān)控

BMS監(jiān)控是一種針對(duì)電氣濫用和熱濫用的有效抑制手段。主要是通過(guò)提高電池狀態(tài)的估計(jì)精度，避免過(guò)充放造成的熱失控;并且設(shè)置溫度分級(jí)報(bào)警，在熱濫用發(fā)生之初，就對(duì)系統(tǒng)發(fā)出警告。

4 結(jié)語(yǔ)

為了確保動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性，熱失控的防護(hù)的機(jī)理研究和預(yù)防設(shè)計(jì)是必不可少的。目前，造成動(dòng)力電池?zé)崾Э匕l(fā)生的誘因主要有機(jī)械濫用、電氣濫用和熱濫用，而三者往往是關(guān)聯(lián)發(fā)生的。抑制熱擴(kuò)散的手段主要有電芯材料修飾、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)防、熱管理預(yù)防和BMS監(jiān)控等方式。在本文中著重對(duì)熱失控發(fā)生的誘因及抑制手段展開(kāi)了研究，總結(jié)了每種預(yù)防方法的要點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Xuning Feng，Minggao Ouyang， Xiang Liu，et al.Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles：A review[J]. Energy Storage Materials，2018，10：246-267.

[2]Shashank Arora，Weixiang Shen，Ajay Kapoor. Review of mechanical design and strategic placement technique of a robust battery pack for electric vehicles[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016， 60：1319-1331.