某動力電池熱失控安全設計

袁格年　周健　付一民　盛軍　李彥良　辛雨　馬凱

摘 要：安全性能是動力電池設計核心關(guān)注性能之一。根據(jù)電池熱失控及傳播機理，針對可能存在的熱失控擴展路徑，在某電池系統(tǒng)設計中采用了主回路熔斷器防護，采集回路過流防護，安全爬電距離、電氣間隙設計，分布式單體外短路保護設計等電氣方面安全措施；采用了多維模組熱擴展結(jié)構(gòu)防護，阻燃材料應用等結(jié)構(gòu)方面安全措施；采用了透氣防爆裝置，主動滅火裝置等主動安全措施。各方面安全措施的應用提高了動力電池系統(tǒng)的安全性能，試驗結(jié)果驗證了安全性能的有效提升。

關(guān)鍵詞：動力電池；熔斷器；熱失控；熱擴展；主動安全

1 引言

新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，自2014年產(chǎn)量大幅上升達到84900輛，2015年猛增至37.9萬輛；2016年累計生產(chǎn)新能源汽車51.7萬輛，同比增長36.4%。動力電池作為新能源汽車核心零部件，其發(fā)展緊隨整體市場趨勢。從動力電池歷年出貨量看，2015年開始動力電池跟隨新能源汽車產(chǎn)銷量崛起，從2014年的3.7Gwh的出貨量躍居至2015年15.7Gwh，同比增長超過3倍。2016年1-10月有產(chǎn)量的新能源汽車搭載電池總量達13.9Gwh，與去年同期相比增長78%，與去年全年動力電池出貨量相差無幾。

隨著電動汽車的存量增加，電動汽車安全事故明顯增多，成為關(guān)注熱點；據(jù)中國電動汽車百人會研究成果《電動汽車安全報告》不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年發(fā)生電動汽車安全事故14例，而2016年發(fā)生35例；這些發(fā)生的安全事故中，動力電池熱失控引起的事故占比最大。動力電池熱失控安全技術(shù)研究引起國內(nèi)外學者廣泛重視。

在電池單體熱失控安全技術(shù)方面，發(fā)展出如下技術(shù)方面突破：電解液改進[1]，正極材料改進[2]，隔膜改進[3]，表面包覆[4]，泄壓閥及PTC電阻[5]等。在電池成組熱失控方面，國內(nèi)外主要在如下方面展開研究：結(jié)構(gòu)安全設計[6]，BMS安全[7]，冷卻系統(tǒng)[8]，主動安全技術(shù)[9]等。電池系統(tǒng)及成組結(jié)構(gòu)安全設計主要包括熱傳播阻斷設計，閥泄通道設計，PTC電阻及熔斷器設計等；BMS安全包括參數(shù)檢測，BMS均衡技術(shù)等；冷卻系統(tǒng)包括空氣冷卻，液體冷卻，相變材料冷卻等；主動安全技術(shù)包括滅火，防爆設計等技術(shù)。

電池單體熱失控研究取得很大進展，但國內(nèi)外仍時有安全事故發(fā)生。電池系統(tǒng)成組技術(shù)在其中的作用需進行深入研究及實踐驗證。基于大量熱失控安全試驗及電池系統(tǒng)成組設計實踐，為解決電池熱失控安全問題，在產(chǎn)品設計中采用了主回路熔斷器防護，采集回路過流防護，安全爬電距離、電氣間隙設計，分布式電芯外短路保護設計，多維模組熱擴展結(jié)構(gòu)防護，透氣防爆裝置，主動滅火裝置等結(jié)構(gòu)、電氣、主動安全措施。通過大量安全措施的研究及應用，電池系統(tǒng)安全性能得到大幅提升。產(chǎn)品開發(fā)過程中，通過熱失控安全試驗對安全性能進行了驗證，確認了熱失控安全設計的效果。

2 熱失控及傳播原理

動力電池熱失控可由單體內(nèi)部因素及外部因素引起。內(nèi)部因素一般為過充、低溫充電、負極缺陷等導致負極形成的化合物穿透隔膜引發(fā)短路，或電池內(nèi)部雜質(zhì)刺穿隔膜引發(fā)短路等；外部因素包括正負極短路，大電流放電，高溫，擠壓、針刺等。由于單體內(nèi)部或外部因素的發(fā)生，電池單體溫度持續(xù)升高；以鋰離子電池為例，單體高于60℃時，SEI膜開始分解，全部分解后露出負極表面；隨著電池溫度的提升，電池隔膜高溫收縮，正負極活性物質(zhì)接觸，發(fā)生短路，瞬間釋放出大量的熱量。短路點高溫進一步導致正極氧化物分解，釋放出游離狀態(tài)氧，并與有機電解液發(fā)生氧化反應，釋放出更多的熱量，最終導致電池發(fā)生起火爆炸。

電池單體發(fā)生起火爆炸后，一方面通過模塊連接部分向其它單體進行熱傳導，另一方面通過熱對流、熱輻射向其它單體進行傳熱，模塊或電池系統(tǒng)的散熱裝置也將起到傳熱的作用；而單體的持續(xù)升溫將導致熱失控發(fā)生，從而熱失控從一個單體擴展到其他單體。一個單體的熱失控短路將引起其它單體的外短路，而短路繼續(xù)引起其他單體溫度升高，從而引起單體的熱失控擴散。一個單體熱失控起火爆炸后的火焰和噴射出的內(nèi)部物質(zhì)將直接對其他單體產(chǎn)生瞬間加熱作用，造成其他單體的短路和溫度升高，從而引發(fā)熱失控。單個電芯的爆炸起火還有可能引起其他線束、覆蓋件的起火，從而再次引發(fā)其他電芯的溫度升高，發(fā)生熱失控現(xiàn)象，見圖1。

根據(jù)電池熱失控及傳播機理，可提高單體電池性能，防止熱失控的發(fā)生；同時在成組技術(shù)方面可采取熱失控阻斷技術(shù)，在單個電池熱失控時不擴散到其它單體。熱失控阻斷技術(shù)主要在熱傳播和擴散的路徑進行處理，以達到阻斷電池單體發(fā)生連鎖熱失控反應的目的。例如阻斷或降低熱輻射、對流、傳導對周圍單體的影響；使用散熱系統(tǒng)或主動安全技術(shù)對單體進行快速降溫；使用噴射導流技術(shù)防止噴射物對其他單體的影響；使用過流防護、短路防護、熔斷技術(shù)防止一個單體的短路影響其它單體；通過阻燃材料的使用防止單體周圍材料的燃燒引起單體熱失控連鎖反應，通過對電氣件安全爬電距離，電氣安全間隙的設計防止外短路的發(fā)生等。根據(jù)引起熱失控的內(nèi)部因素和外部因素，可針對性的設計相應防護措施，從單體-模組-電池包三個級別逐級控制，在熱失控傳播路徑上形成安全防護網(wǎng)，達到保證整車安全的目的，見圖2。

3 熱失控安全設計

3.1 結(jié)構(gòu)安全設計

某動力電池系統(tǒng)成組設計過程中，采用多維模組熱擴展防護結(jié)構(gòu)設計，有效解決電池單體熱失控向外擴展問題。基于噴射導流技術(shù)，設計電池單體熱失控火焰噴出點熱擴散防護結(jié)構(gòu)。通過噴射導流裝置將熱失控散發(fā)的火焰及熱量導出到模組外部，并通過逐級降溫避免了噴出的高溫氣體和火焰等熱量傳遞到周邊電池單體，見圖3。

多維模組熱擴散防護結(jié)構(gòu)在電池單體安全閥位置增加阻燃隔熱層，并在隔熱層中間設計一定間隙，單體熱失控后高溫氣體和火焰會通過隔熱層間隙導出到模組外部。由于隔熱層阻燃及隔熱作用，高溫氣體和火焰不會對周邊單體造成影響，避免了周邊單體熱失控條件的達成。阻燃復合材料的使用在熱擴散防護結(jié)構(gòu)中起到關(guān)鍵作用，同時還廣泛應用于動力電池系統(tǒng)中，例如模組支承結(jié)構(gòu)，電池包上蓋，高低壓線束等。其中結(jié)構(gòu)件的阻燃等級100%達到UL94-V0等級；電氣件的阻燃等級均達到UL94的V-1等級以上，關(guān)鍵電氣件UL94-V0等級覆蓋率100%。通過阻燃復合材料的使用，不僅增加了動力電池系統(tǒng)的安全性能，同時起到了輕量化的作用。通過阻燃復合材料的動力電池系統(tǒng)應用，電池系統(tǒng)整體降重10%。

3.2 電氣安全設計

電氣安全設計是電池系統(tǒng)安全設計中最重要的部分，通過設計覆蓋整個電池系統(tǒng)的電氣安全防護體系，有效解決電氣安全問題。首先，對電氣系統(tǒng)整體進行電氣間隙及爬電距離優(yōu)化，為電氣奠定安全基礎(chǔ)；其次，在高壓安全方面，通在主回路中設計主熔斷器、主繼電器、模組過流保護、電芯過流保護等過流分級防護，消除因系統(tǒng)外部和模組與模組間短路失效造成的危害，有效防護高壓系統(tǒng)電氣安全；再次，防止因電池包浸水和采集回路導線及連接器失效造成的短路對電壓采集回路進行傷害，對系統(tǒng)內(nèi)所有電壓采集回路進行保護。

3.2.1 電氣間隙及爬電距離優(yōu)化

電氣間隙和爬電距離是電氣安全設計的基礎(chǔ)，如果動力電池內(nèi)部帶電部件與外殼之間距離過小，很容易造成短路或者擊穿，使動力電池殼體帶電；如果不同電位的帶電部件之間電氣間隙或爬電距離過小，同樣可能造成短路引發(fā)火災。動力電池電氣間隙和爬電距離設計首先需要遵照國家標準（GB/T 18384.1）進行設計；在國家標準的基礎(chǔ)上，還需根據(jù)環(huán)境因素所帶來的影響對電氣間隙及爬電距離的參數(shù)進行修正，例如導體周圍絕緣材料電極化現(xiàn)象，以及導電部件之間或?qū)щ娏悴考c設備防護界面之間擊穿現(xiàn)象等。在某動力電池系統(tǒng)設計過程中，通過模組及線束布置優(yōu)化，電氣間隙達到55mm以上，爬電距離達到200mm以上。

3.2.2 高壓系統(tǒng)安全

為解決高壓線路末端電池單體外短路問題，進行分布式外短路保護設計。本設計主要作用是防止系統(tǒng)濫用的情況下，外部短路電流對電芯進行短時間大電流充電；該短時大電流充電將造成電池單體內(nèi)部熱失控，導致起火爆炸。通過在每個單體通電回路中串聯(lián)一個大電流通電熔斷裝置，當單體外部由于其他保護元器件失效導致瞬間大電流通過串聯(lián)熔斷裝置的單體回路，熔斷裝置進行動作切斷異常回路，避免大電流破壞單體，造成單體熱失控的發(fā)生。

為防止主回路過載發(fā)熱和短路危險，在電氣系統(tǒng)主回路中設置快速熔斷器，在熔斷器選型中考慮系統(tǒng)最大電壓峰值沖擊電流的頻率和時間等因素，保證產(chǎn)品生命周期內(nèi)不因為疲勞老化過早失效，正常工作時不發(fā)生誤動作。主回路熔斷器的設計，達到了在主回路發(fā)生短路時電池單體不被損壞，以及導線煙化前進行熔斷保護的目的。在熔斷器回路設計和布置過程中為降低摸組間短路發(fā)生的機率，將主熔斷器布置于模組串數(shù)的1/2處，見圖4。

3.2.3 低壓系統(tǒng)安全

動力電池管理系統(tǒng)需要對每一個單體電池電壓進行檢測，由于電壓采集線數(shù)量多，成線束后由于連接器失效、導線絕緣皮破損等問題容易造成短路引起線路起火，另外，當電池箱體密封失效時電池箱體內(nèi)部進水也有可能造成短路，為防止電壓采集線的短路故障，在電壓采集線電源端設置采集線路過流防護熔斷器，當發(fā)生上述故障時起到有效防護，見圖5。

3.3 主動安全設計

動力電池系統(tǒng)使用環(huán)境/運行工況非常復雜，安全性能可能遭受各種問題的考驗。電池包PACK 根據(jù)國家標準防護等級達到IP67，在這種環(huán)境下除非真空，否則正常工作中會發(fā)熱膨脹，這時需要平衡內(nèi)外氣壓，通過防爆閥應用可解決以上問題。在電池系統(tǒng)機械、電氣等安全措施失效時，可通過主動滅火技術(shù)應用，為乘客留出一定的逃生時間，甚至將較小火勢撲滅，防止熱擴展的發(fā)生。

3.3.1 防爆裝置開發(fā)及應用

防爆裝置的應用能夠在達到IP67的防護等級和平衡內(nèi)外氣壓的基礎(chǔ)上大幅提升安全系數(shù)。目前國內(nèi)市場上主要是EPV防爆閥，其存在兩個問題：一是透水氣：EPV防爆閥為透氣性防爆閥，防水等級為IP67，但是不能有效隔離水氣進入電池包，容易造成電池包內(nèi)部零件腐蝕、電氣短路、絕緣阻值降低，報絕緣故障；二是防爆作用：EPV防爆閥爆破壓力為25-30KPa，而電池包滿足IP67要求的內(nèi)外壓差為10KPa，因此在電池包內(nèi)部熱失控后，密封失效和防爆閥爆破的順序有待驗證。

為更有效防止電池包爆炸，開發(fā)設計利用簧片的彈性特點，根據(jù)爆破壓強設計簧片臨界反轉(zhuǎn)點的機械非透氣性防爆閥。防爆閥工作過程中存在3個狀態(tài)點，分別是 原始狀態(tài)（A）、臨界狀態(tài)（B）、防爆開啟狀態(tài)（C）。在電池箱體內(nèi)氣壓增大時，當壓強大于15kpa，防爆閥由A狀態(tài)開始啟動，閥的開口面積與壓強成正比。隨著壓強進一步增大，當達到20kpa時，簧片位置已經(jīng)由原始狀態(tài)A點到達了臨界狀態(tài)B點，此時簧片瞬間反轉(zhuǎn)，到達防爆開啟狀態(tài)C點，閥的通氣面積瞬時增大，從而達到防爆的效果，見圖6。

3.3.2 主動滅火裝置開發(fā)及應用

動力電池滅火技術(shù)是一項主動安全技術(shù)，前期主要在大型客車及公交車上推廣，在新能源乘用車上尚未開始應用。通過研究開發(fā)，將其在乘用車動力電池系統(tǒng)中應用。

主動滅火裝置開發(fā)的核心是滅火材料的選用，決定最終滅火最終效果及裝置本身的輕量化、可靠性設計；本動力電池滅火裝置采用清潔、無毒、可清理的滅火材料，該滅火材料不會對動力電池系統(tǒng)造成破壞，經(jīng)過維修更換失火模塊后可動力電池繼續(xù)使用；該滅火材料是無毒的，不會對乘客造成影響，也不會對地球生態(tài)系統(tǒng)造成污染；該滅火材料存儲有效期長，穩(wěn)定性高，可保證電池系統(tǒng)生命周期不需維修更換。滅火裝置另一重要部分為火災探測裝置，決定滅火裝置能否適時啟動，及時滅火；本主動滅火裝置采用多種火情探測機制，即使在車輛駐車斷電狀態(tài)仍可為動力電池的安全性能提供保障，見圖7。

4 熱失控安全試驗研究

動力電池熱失控及其安全技術(shù)發(fā)展很快，安全設計后其效果需實際試驗驗證。針對應用了大量安全設計技術(shù)的某款動力電池包，進行熱失控安全試驗，對比安全設計技術(shù)的實際效果。為利于試驗觀察及對比，針對未采取任何安全設計的模組和增加了安全設計的模組進行同時進行熱失控試驗，對比二者的差異。試驗前將電池模組充滿電，按圖8的方式將電加熱電阻絲纏繞至最容易熱積聚的模組中間位置電芯上，直至電芯發(fā)生熱失控（溫度驟升同時伴隨電壓驟降以及起火現(xiàn)象），見圖8。

該模組采用的安全設計方案包括：使用了多維模組熱擴展防護結(jié)構(gòu)，選用阻燃復合材料設計模塊支承架等結(jié)構(gòu)安全措施；同時設計了分布式熔斷裝置。可以發(fā)現(xiàn)未采用安全設計的模組持續(xù)劇烈燃燒，發(fā)生多次爆炸；而增加安全設計后的模組在強制同時加熱2支電芯至熱失控后，未產(chǎn)生熱蔓延，見圖9。

5 結(jié)論

電池單體熱失控研究取得很大進展，但國內(nèi)外仍時有安全事故發(fā)生。電池系統(tǒng)成組技術(shù)在其中的作用需進行深入研究及實踐驗證。基于大量熱失控安全試驗及電池系統(tǒng)成組設計實踐，為解決電池熱失控安全問題，在產(chǎn)品設計中采用了主回路熔斷器防護，采集回路過流防護，安全爬電距離、電氣間隙設計，分布式電芯外短路保護設計，高阻燃材料應用，多維模組熱擴展結(jié)構(gòu)防護，透氣防爆裝置，主動滅火裝置等結(jié)構(gòu)、電氣、主動安全措施。通過大量安全措施的研究及應用，電池系統(tǒng)安全性能得到大幅提升。產(chǎn)品開發(fā)過程中，通過熱失控安全試驗對安全性能進行了驗證，確認了熱失控安全設計的效果。

參考文獻：

[1] Wen J， Yu Y， Chen C. A review on lithium-ion batteries safety issues： existing problems and possible solutions. Materials Express， 2012， 2（3）： 197-212.

[2] Xiang H F， Wang H， Chen C H， et al. Thermal stability of LiPF6-based electrolyte and effect of contact with various delithiated cathodes of Li-ion batteries. Journal of Power Sources， 2009， 191（2）： 575-581.

[3] 宋建龍，解華華，劉俊，高甲. 涂層改性鋰離子電池隔膜研究進展. 信息記錄材料，2015，16（4）：52-57.

[4] 周恩婁. 鋰離子電池層狀正極材料的表面包覆研究.天津理工大學，2013.

[5] Spitzer T， Dakermanji G， Lee L， et al. SONY Li-ion 186_SOHC Cell PTC， CID Operation in a Very Large-Scale Parallel String Configuration. 2011.

[6] Rawlinson P D， Clarke A P， Gadhiya H L， et al. System for absorbing and distributing side impact energy utilizing an integrated battery pack： U.S. Patent Application 14/168，351.2014-1-30.

[7] 郝曉偉.純電動汽車理離子電池組均衡策略研究及系統(tǒng)實現(xiàn).吉林大學，2013.

[8] 王彥紅，張成亮，俞會根，等.相變材料在動力電池熱管理中的應用研究進展.功能材料，2013 22： 3213-3218.

[9] Norden R， Fassnacht J. Emergency cooling device： U.S. Patent Application 13/499，574. 2010-8-18.