鋰離子電池成組安全技術研究進展

胡棋威，彭元亭，李文斌

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

鋰離子電池與其它傳統二次電池相比具有比能高、功率性能出色等優勢。因而，鋰離子電池不僅在電子消費產品領域成熟應用，還逐漸拓展于新能源汽車、電動游船及儲能領域。隨著鋰離子電池逐漸拓展到高能量、高功率要求的應用領域，鋰離子電池的大規模成組使用成為其發展的必然趨勢。

然而，安全性問題則是鋰離子電池大規模應用的重要阻礙之一。因為材料體系及結構特點，鋰離子電池在過溫、過充或短路的條件下，會誘發電池內部發生一系列放熱反應，致使電池溫度升高，高溫則會進一步加快放熱反應速率，導致電池放熱和溫升兩方面呈相互促進的失控狀態，即“熱失控”，最終導致電池出現燃燒，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。鋰離子電池單獨或小規模串并聯使用時，其安全問題基本可以得到控制，但當鋰離子電池大規模成組使用時其安全問題則會較為凸顯，主要體現在以下幾個方面。首先，電池組內個別單體發生“熱失控”，可能會在電池組內連鎖傳播，導致整個電池組發生非常嚴重的燃燒、爆炸事故；其次，鋰離子電池組大功率的使用特點導致發熱量巨大，同時大量單體的緊密堆積使電池組散熱更加困難[2]，因而電池組容易因為溫度過高而帶來安全隱患；最后，鋰離子電池成組使用時，由于單體數量多，結構復雜，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“短板”電池容易過度老化，從而在使用過程中更易發生安全事故[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，從電池組系統角度入手，強化鋰離子電池成組安全技術也顯得非常必要而急迫。本文從電池組管理、冷卻、安全結構、應急安全技術等方面概述鋰離子電池成組安全技術的重要意義及研究進展。

1 鋰離子動力電池組管理系統

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

1.1 參數監測技術

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

1.2 均衡

傳統均衡技術一般以電池組內各單體電壓作為均衡判斷依據。該均衡技術結構簡單，易于實現，但是電壓并不能真實反映電池組容量狀態的一致性[7]，電壓均衡的穩定性和一致性也并不理想[8]。文獻[8]，[9]分別使用開路電壓SOC算法和擴展卡爾曼濾波 SOC算法，以各單體SOC作為均衡判斷依據，對鋰離子電池組進行均衡，避免了上述問題，并減少了由放電深度的不同而導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。

傳統均衡技術一般使用耗散型均衡電路，該均衡技術將電池組內除電量最低電池外所有電池的電量通過旁路電阻消耗掉，會帶來熱量積累問題，對大型電池組安全性存在影響[10]。文獻[11],[12]使用電量轉移型均衡電路，用電容、電感以及開關等元件，采取常見的電源變換電路，實現單體間或單體-電池組間的電量轉移；元件儲存能量和單體電量間的轉換，極大減少了均衡產熱，不僅能量流向更自由，更加節能，還有著更好的安全性。

2 鋰離子電池組冷卻技術

鋰離子電池在充放電過程中，持續產生電化學熱和焦耳熱等[13]。而電池組結構復雜，大量單體的產熱積累會造成局部過熱或溫度不均勻，進而容易導致熱失控或電池一致性變差誘發安全問題。電池組冷卻技術，一方面可以使電池組在安全的溫度范圍內工作，防止“熱失控”的發生和傳播[14]；另一方面，通過減小電池組的溫差可以減緩組內單體的一致性差異的擴大，增強電池組的安全性[15]。因而，增強冷卻技術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

空氣冷卻使用風扇等設備帶動氣體流經電池組對其進行冷卻。許多電動汽車，如豐田Prius和 Enerl的Think City都采用這種散熱方式來增強車內鋰離子電池組的安全性。空氣冷卻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，難以在復雜工況下維持電池組溫度和溫度均勻度在安全范圍內[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的重要源頭，而鎮內良種繁育基地僅有1個覆盆子快繁基地，建設規模小，無標準化，也鮮有種植戶或科研機構進行品種選育，中藥材的種子種苗幾乎都是來源于其他地區或是當地野生資源的人工馴化，有的農戶甚至直接將野生植株移栽到自家場地中，形成一個場內有多種資源存在，導致中藥材質量良莠不齊。

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

針對空氣冷卻溫度分布不均勻的問題，Mahamud[28]等設計了一種往復式的空冷方案，通過定時改變空氣循環方向，當周期為120 s時，比相同條件下正常空冷下單體間最大溫差減小了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，以減小單體離入風口距離的不同所帶來的較大溫差。另外，文獻[20]和[21]通過在磷酸鐵鋰電池組的冷卻風道中安放起導流和調節流速作用障礙物，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，用循環液吸收電池熱量，再通過制冷設備、風扇或自然對流，將循環液熱量吸收。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，可能導致安全事故[22]；復雜的管道、泵、風扇、甚至用于制冷的壓縮機等笨重輔件增加了系統復雜度，降低了系統可靠性。

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，以增強冷卻介質與電池間的傳熱，強化了液冷冷卻效果，增強了電池組安全性[3]。

為了降低液體冷卻復雜性，文獻[24]將冷卻液封閉在熱管中，通過液體熱端蒸發-冷端凝結過程，將電池熱量帶走，從而不需要泵、壓縮機等笨重輔件，使液體冷卻系統更為簡潔，可靠性更高。

2.3 PCM冷卻技術

Al-Hallaj等于2000年首次將PCM冷卻作為鋰離子動力電池組冷卻方案[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熱失控。由于PCM冷卻不需要電氣結構、流道結構，因而系統構造簡單，可靠度高，系統安全性較高。

PCM 冷卻的優勢在于維持電池組溫度的均一性，但是 PCM 通常熱導率極低，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，若遇到連續的快速大功率充放電時，存在 PCM 潛熱耗盡，冷卻能力極大降低的安全隱患[25]。

文獻[27],[28],[29]通過在PCM中增加導熱劑、金屬散熱翅或用高導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導熱系數，改善PCM冷卻效果。文獻[14]研究了石墨增強導熱后的 PCM 冷卻的鋰離子電池組在熱濫用條件下的安全性，發現冷卻下阻止了原本會發生的熱失控傳播現象。

文獻推薦將 PCM 冷卻和空氣冷卻耦合使用，這樣既能得到優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等發現將電池組浸入PCM（十八烷）中后再使用液冷冷卻PCM，既避免了PCM潛熱耗盡，還比單獨液冷的冷卻效果更好。

3 安全結構技術

安全結構技術通過控制熱失控單體所產生的熱量、危險噴射物質等危險的因素的傳播，來降低安全事故造成的危害，實現對整個電池組的安全保護。

3.1 熱、沖擊傳播阻斷結構設計

Tesla公司在其汽車鋰離子電池組的專利中設計了一種由隔熱材料和彈性材料復合制成的隔離板，放置于電池模塊不同列單體之間，以此來減少熱失控時，單體間熱量的傳播，并吸收爆炸沖擊力，實現熱、沖擊的阻斷。Berdichevsky等在電池外部增加導熱板材來強化電池與冷卻介質間的傳熱，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和熱輻射來阻斷熱失控時熱量的傳播。Rawlinson在鋰離子電池包中設計了多個裝載液體或高熔點低導熱系數的材料的空心橫梁，不僅將電池包分割成多個組，延緩了各組之間熱失控傳播速度，還能將側面沖擊力均勻分布到橫梁，吸收沖擊能量。

3.2 閥泄通道設計

合理的閥泄通道設計能隔離火焰、高溫噴射物質，避免直接加熱單體。Chow為電池組中每個單體設計了獨有的閥泄通道，避免閥泄物質直接加熱其它單體。Hore等在專利中設計的電池組能在檢測到單體安全閥打開時，噴射CO2驅逐閥泄氣體，使之稀釋、降溫，并沿預設通道排出電池組，抑制危險在電池組內擴散。

3.3 電器結構設計

熔斷器能在單體電流過大時永久切斷電路，為電池組提供不可逆的一次保護。正溫度系數電阻在溫度升高后，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斷流保護。

這類技術應用很廣泛，如美國 TESLA汽車的鋰離子動力電池組的每只電池內均裝有PTC電阻，每只電池兩端均連接保險絲，而且每一個電池模塊還設有主保險絲，用以保護電池組安全。Spitzer等使用 8×12 個SONY18650HC電池組成電池模塊，測試了濫用條件下PTC對電流的作用，發現短路后2秒內PTC將電流從40 A降到10 A，另一組測試中，電流從2 s內從55 A降到10 A。

4 應急安全技術

應急安全技術在探測到部分單體熱失控時，通過主動噴射出惰性氣體/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計，通過在鋰離子電池組中增加裝載有二氧化碳或者氮氣與氬氣的混合物的罐體，在探測到異常情況時，使這些高壓惰性氣體噴射到電池周圍，驅逐可燃氣體和氧氣，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上，在鋰離子電池組中額外增加吸收了液體的分子篩，當電池溫度過高時，不僅會噴射惰性氣體，分子篩中的液體還會氣化吸熱，以控制火焰，冷卻電池。進一步的，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計。正常使用時，制冷劑以高壓液態形式儲存在罐中，當 BMS檢測到出現熱失控等緊急情況時，高壓制冷劑（R-123）從預設管道噴出，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，保護整個電池組安全。

5 結論

鋰離子動力電池 BMS通過充放電控制、均衡，并監測電池組參數，從而實現了對電池組安全問題的預防及安全保障。并且隨著BMS技術逐漸成熟，BMS對安全隱患判斷的準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。

冷卻技術一方面保證電池組在安全的溫度范圍內工作，防止“熱失控”的發生和傳播；另一方面減小電池組的溫差，減緩組內單體的一致性差異的擴大，增強電池組的安全性。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。空氣冷卻結構簡單，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。

安全結構技術通過阻止已失控單體所產生的熱沖擊、噴射物質等危險因素的傳播，來達到控制、阻斷安全事故的形成和擴散。應急技術在電池組出現燃燒爆炸時，主動撲滅火焰。但這兩類技術處于專利概念階段，需要進一步開展相關研究工作。

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