鋰電池熱失控預警機制設計研究

岳仁興 張永強 張志軍 解樂樂 袁玉強

摘要：鋰離子電池熱失控是重要的安全風險，影響到鋰離子電池應用。通過建立鋰離子電池熱失控預警機制，為工作人員提供熱失控預警信息，保證電池使用安全性。本文就鋰離子電池熱失控預警機制的設計議題進行了探討，供相關人士參考。

關鍵詞：鋰離子電池、熱失控預警

引言：鋰離子電池是重要的動力能源。當電池散熱能力沒有增強的情況下，不斷增強電池的產熱能力，無疑會造成鋰離子電池工作溫度升高，造成電池熱失控狀況，從而給電池使用帶來很大的風險。通過對電池熱失控過程進行分析，設計科學的鋰離子電池熱失控預警機制是降低電池使用風險，降低事故發生率的重要途徑。

一、鋰電池熱失控概念

鋰離子電池熱失控的根本原因是電池工作過程中產生的熱量比散發的熱量更多，這種情況下電池內部溫度升高，引起電池失效。當電池熱失控時通常是鏈式反應沒有得到有效控制，因此以起火、燃燒、爆炸等方式表現出來，引發電池安全事故。

二、熱失控機理及過充狀態下失控過程分析

鋰離子電池內部熱失控主要涉及到非正常放熱反應，具體包括SEI膜熱分解反應、負極和電解液反應、電解液自分解反應、正極和電解液反應。在電池溫度升高的過程中，首先發生的反應是SEI膜熱分解反應。雖然在正常情況下SEI膜有一定的保護作用，但是它在熱穩定性方面并不好。當電池溫度升高到90℃或更高時，SEI膜熱分解反應速度就會加快。隨著SEI膜的溶解，膜分子和溶劑分子會相互嵌入，使鋰離子在負極的脫嵌速度降低，影響電池性能。鋰離子在脫離嵌入的過程中受到較大的阻力，電能消耗增加，放熱量增大，溫度不斷升高。此時包裹在電池負極表面的固體電解質界面膜層不但減少，使電池負極材料暴露在電解液中。高溫環境下，電池自組分材料具有很強的化學活性，暴露的負極材料和電解液中的組分迅速發生反應并釋放熱量，使電池溫度進一步升高[1]。目前鋰離子電池的電解液包括固態和液態兩種。高溫條件下，電池正極材料隨著分解反應發生而逐漸減少，正極材料受熱分解在產生氣體的同時釋放熱量，使電池溫度呈指數升高，最終造成電池熱失控狀況。此外，電解液在熱分解過程中會和電池內的組分發生反應，使電池熱失控過程更加復雜。

當電池在過充狀態時，鋰離子被還原，金屬鋰的含量不斷增加，堆積成鋰的結晶物，這種結晶物不斷成長并生出更多的枝梢，隨著結晶物的堆積和生長很容易磁盤隔膜造成電池內部短路，使電池產生大量氣體并釋放大量的熱，造成電池熱失控[2]。

三、鋰電池熱失控預警機制設計

在對電動汽車鋰電池熱失控預警機制中采用系統嵌入式的方式，通過建立BMS系統，輸入溫度、電壓、電流探測器等輸入參數，經過系統分析后向駕駛人員或工作人員輸出熱失控預警信息。

熱失控預警的系統架構如下：參數輸入后系統根據參數信息判斷鋰離子電池是否處于危險狀態，如果診斷出電池處于危險狀態，則預警系統開啟;如果診斷出電池不屬于危險狀態，則電動汽車正常運行。如果診斷出電池處于危險狀態，則繼續診斷電池是否屬于熱失控狀態，如果診斷出電池是熱失控狀態，則立即啟動警報;如果診斷出電池不是熱失控狀態，則判斷電池是否屬于其他的危險狀態。在判斷電池是否屬于其他的危險狀態時可設計以下四種模型，包括熱濫用模型、電濫用模型、機械濫用模型、復合觸發模型。根據上述四種模型的分析，判斷電池正在處于哪一種危險狀態，從而計算出電池如果發生熱失控所需要的時間。在經過上述分析后得出最終的信息，通過顯示端向駕駛人員或工作人員輸出電池熱失控預警信息。

熱失控預警系統的流程與數據流程是相對應的。首先，BMS系統收集電池的溫度、電壓、電流等參數。其次，將收集的參數輸入到電池熱失控預警系統中，系統對鋰離子電池是否存在熱失控危險進行診斷。診斷的溫度限制設定為80℃，當實際溫度值超過80℃時則判斷電池存在熱失控危險;當實際溫度未超過80℃時，則判斷電池處于安全狀態。根據電池是否存在熱失控危險來確定熱失控預警系統是否開啟。如果電池處于相對安全的狀態，則熱失控預警系統關閉，反之，則啟動熱失控預警系統。當系統診斷出電池存在熱失控危險，此時熱失控預警系統啟動，然后繼續對電池溫度進行監測，同步上傳監測數據，實時對電池的熱失控風險狀況進行分析診斷。如果分析出電池升溫速度超過1℃/s，此時判定為鋰電池發生熱失控，立即向駕駛人員或工作人員發出預警信息。如果系統診斷出鋰電池未發生熱失控，根據四種危險狀態模型計算出鋰電池將要發生熱失控的時間，向駕駛人員或工作人員發出預警信息。四種危險狀態模型具體選擇哪一種模型的判定參數為電壓。如果是針刺導致鋰電池發生熱失控狀況，則電池電壓會迅速降低至零，因此這種熱失控狀況是由電池過充導致的;其他的電池熱失控狀況都屬于高溫造成的。

在電動汽車行駛過程中，儀表盤上顯示BMS系統監測到的電池溫度信息，駕駛人員或工作人員可以實時接收到電池溫度。如果電池溫度快要接近80℃時，駕駛人員或者工作人員可以調整策略，如果有冷卻系統的話可以開啟電池冷卻系統，這樣就能夠盡早避免電池溫度升高過快引發電池熱失控。如果儀表盤顯示鋰電池溫度超過80℃，則此時電池熱失控預警系統已經診斷為熱失控狀態了，預警系統處于啟動狀態，儀表盤上顯示電池將要發生熱失控的時間參數，提醒駕駛人員或工作人員立即停車，離開電動汽車，并采取冷卻滅火措施，避免人員或設施傷亡。

四、結語

綜上所述，鋰離子電池是重要的能源動力來源，在新興產業發展中發揮重要作用。鋰離子電池熱失控狀況是影響鋰離子電池使用安全的重要威脅。通過鋰電池熱失控預警機制的構建，利用現代化技術診斷電池熱失控信息，及早提醒駕駛人員和工作人員，采取安全防控措施，降低惡劣事故發生。

參考文獻

[1]張越超.高秀玲.高金津.鋰離子電池熱失控防控技術研究進展[J].應用能源技術，2020，（8）：30

[2]高飛.劉皓.吳從榮.汪書萍.范明豪.汪浩.鋰離子電池熱安全防控技術的研究進展[J].新能源進展，2020（1）：15

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