新能源汽車用鋰離子電池防火安全設(shè)計

李勁夫

（湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽，421000）

引言

為保證國家能源安全并有效降低碳排放量，我國將新能源汽車作為七大戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。習(xí)近平總書記指出：發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國走向汽車強(qiáng)國的必由之路。在眾多正面政策的鼓勵下，中國新能源汽車市場一年一個大臺階。2016年50萬輛、2017年80萬輛、2018年將超100萬輛以上，2020年規(guī)劃為200萬輛。在新能源汽車發(fā)展中，鋰離子電池因能量密度高、自放電率低及壽命長等特點，成為新能源汽車的主要動力來源。然而由于鋰離子電池內(nèi)部的電解液是易燃液體，電極是可燃材料，鋰電池在過充、短路、過熱、穿刺或碰撞等情況下容易發(fā)生熱失控，引發(fā)起火甚至爆炸，新能源汽車因電池?zé)崾Э匾l(fā)火災(zāi)的案例時有發(fā)生［1］。在某種程度上來說鋰離子電池的防火安全對新能源汽車發(fā)展有著重大影響。

1 鋰離子電池?zé)崾Э?/h2>

1.1 車用鋰離子電池系統(tǒng)的組成

車用鋰離子電池系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一種典型的電動汽車電池系統(tǒng)

其主要由以下幾部分組成：動力電池系統(tǒng)ESS、交流感應(yīng)電機(jī)Drive Unit、車載充電機(jī)Charger、高壓配電盒HV Junction Box加熱器PTC heater、空調(diào)壓縮機(jī)A／C compressor、直流轉(zhuǎn)換器DCDC。該電動汽車電機(jī)采用三相交流感應(yīng)電機(jī)，并且將電機(jī)控制器、電機(jī)、以及傳動箱集成于一體。

1.2 鋰離子電池系統(tǒng)熱失控分析

“熱失控”是能量的正反饋循環(huán)：上升的溫度使系統(tǒng)升溫，系統(tǒng)變熱，溫度升高，這反過來使系統(tǒng)變熱。

（1）在外部高溫（外部火災(zāi)、電池散熱不良）下，鋰離子電池SEI膜、電解液等將被分解，分解的電解液會與正負(fù)電極發(fā)生反應(yīng)，各種反應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生大量的熱量，膜片熔化又會導(dǎo)致內(nèi)部短路，電能的釋放增加了熱量的產(chǎn)生。這種累積和相互增強(qiáng)的破壞作用導(dǎo)致鋰離子電池火災(zāi)的發(fā)生。

（2）電化學(xué)感應(yīng)、電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電收縮等，可能引起內(nèi)部短路，這種內(nèi)部短路往往發(fā)生得慢，耗時長，不知道什么時候會失控。

（3）機(jī)械碰撞是一種典型的熱失控方式。汽車碰撞事故會造成電池?fù)p壞，當(dāng)電池?fù)p壞時，內(nèi)部短路將導(dǎo)致熱失控，機(jī)械損傷通常是瞬間發(fā)生的［2-3］。

電動汽車電池的熱失控問題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關(guān)鍵因素。首先，動力電池的溫度較低時，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，在過低溫度下（如低于0°C）對電池進(jìn)行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過充現(xiàn)象，造成內(nèi)部析鋰并進(jìn)而引發(fā)短路；其次，鋰離子電池的熱失控問題直接影響電池的安全性，生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的缺陷或使用過程中的不當(dāng)操作等可能造成電池局部過熱，并進(jìn)而引起連鎖放熱反應(yīng)，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴(yán)重的事件，威脅到車輛駕乘人員的生命安全；另外，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小，電池內(nèi)部熱量不易散出，更可能出現(xiàn)內(nèi)部溫度不均、局部溫升過高等問題。

2 鋰離子電池系統(tǒng)熱失控的預(yù)警機(jī)理

2.1 鋰離子電池系統(tǒng)熱失控的檢測機(jī)理

根據(jù)當(dāng)前的知識，熱失控的原因通常是由機(jī)械濫用和電濫用引起的大量的熱量，有限的熱擴(kuò)散條件引起正負(fù)活性物質(zhì)分解釋放活性氧，進(jìn)一步導(dǎo)致電解液的氧化分解，產(chǎn)生更多的熱量，最終導(dǎo)致鋰離子電池的熱失控［4］。因此，對鋰離子電池的安全性控制也主要是對其溫度的監(jiān)測。目前鋰離子電池的溫度監(jiān)測大多只是對其表面溫度的檢測。但是由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特點使得其在各個方向上熱傳導(dǎo)系數(shù)有很大的不同，傳統(tǒng)的電池表面溫度測量難以真實反映鋰離子電池的內(nèi)部溫度，在電池組中，表面和內(nèi)部之間的溫差可能在幾百攝氏度［5］。

2.2 一種新型鋰離子電池系統(tǒng)的內(nèi)部溫度監(jiān)控系統(tǒng)

本文介紹一種新型鋰離子電池的內(nèi)部溫度測試結(jié)構(gòu)，把熱敏元件、正極片和負(fù)極片以卷繞的方式一起纏繞，在其上安裝極耳。與現(xiàn)有技術(shù)相比，它是將薄膜密封的熱敏元件放置在電池正極和負(fù)極的多個不同區(qū)域，電池在工作時可以根據(jù)熱敏元件所顯示的溫度直接讀取電池內(nèi)部的電池溫度。該結(jié)構(gòu)簡單可行，測試準(zhǔn)確，其原理框圖如圖2所示。本結(jié)構(gòu)是采用了熱敏元件進(jìn)行電池本身的溫度檢測，與電橋電路結(jié)合，將溫度信號反映為電壓信號。采用分壓法由A／D采樣讀取熱敏電阻的端電壓，根據(jù)電阻—溫度關(guān)系可計算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個電池上，分時將不同電池上的熱敏電阻接到A／D采樣電路上進(jìn)行溫度采樣，實現(xiàn)單體電池溫度的巡檢。

圖2 鋰離子電池內(nèi)部溫度測試原理框圖

3 鋰離子電池防火系統(tǒng)設(shè)計

想要對鋰離子電池防火進(jìn)行防火，依靠電池本身是無法做到完全杜絕隱患發(fā)生的，車輛在運行過程中由于電池過充、過熱、短路、碰撞等因素以及電池制作過程中的缺陷都可能會導(dǎo)致動力電池?zé)崾Э兀瑥亩l(fā)安全事故，因此電池系統(tǒng)防火需要為電池箱額外搭載電池箱專用自動滅火裝置，而電池箱專用自動滅火裝置需要具備的技術(shù)條件是：第一可以預(yù)警，第二可以自動滅火。預(yù)警是后續(xù)自動滅火動作的前提和基礎(chǔ)，如果預(yù)警不能在極早期發(fā)現(xiàn)，等到熱失控擴(kuò)展，電池箱起火，這時滅火的效果就會大打折扣；如果預(yù)警發(fā)生誤報或漏報，就會導(dǎo)致滅火器誤噴或不啟動，滅火器誤噴就會對電池箱內(nèi)部造成損壞，影響整車運行和安全；滅火器不啟動就會導(dǎo)致在熱失控關(guān)鍵時刻不能有效介入，在初期階段及時滅火，影響整車安全。如圖3所示為一種新型電池箱專用自動滅火裝置，它由電池模組、BITS主動安全系統(tǒng)、BIES被動安全系統(tǒng)、感溫線纜、冷卻系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、CAN總線等組成。

圖3 一種新型電池箱專用自動滅火裝置

它的工作原理框圖如圖4所示。

圖4 電池箱專用自動滅火裝置原理框圖

該電池箱專用自動滅火裝置，使用高靈敏度的探測系統(tǒng)，探測電池箱動力電池內(nèi)短路、過充過放、外短路導(dǎo)致的熱失控所產(chǎn)生的溫度等參數(shù)，判斷是否出現(xiàn)熱失控，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)分級預(yù)警并聯(lián)動啟動滅火裝置。此專用自動滅火裝置可以實現(xiàn)早期火災(zāi)感知、智能判斷、提前干預(yù)并高效滅火。最大程度保護(hù)電動汽車和乘客司機(jī)的人身安全，為駕駛員及乘客疏散開辟出生命通道。

4 結(jié)束語

鋰電池安全性是新能源汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用過程中，各方最關(guān)注的焦點問題之一。動力電池系統(tǒng)安全事故發(fā)生之前，故障可能經(jīng)歷了長期的演化過程，也可以是突發(fā)情況破壞了動力電池系統(tǒng)，并導(dǎo)致安全性事故。在動力電池安全性問題上，最為核心的問題是鋰離子動力電池的熱失控。然而鋰離子電池在過充、短路、過熱、穿刺或碰撞等情況下容易發(fā)生熱失控，新能源汽車因電池?zé)崾Э匾l(fā)火災(zāi)的案例時有發(fā)生，在某種程度上來說鋰離子電池的防火安全對新能源汽車發(fā)展有著重大影響。因而設(shè)計鋰離子電池防火系統(tǒng)意義重大。