關(guān)于電動(dòng)汽車鋰電池?zé)崾Э販y(cè)控與防火技術(shù)研究

王寧 萬春雨

摘 要：在電動(dòng)汽車的應(yīng)用中，如果鋰電池出現(xiàn)了熱失控情況，便很容易引發(fā)爆炸和火災(zāi)，進(jìn)而造成嚴(yán)重的安全事故。若要有效防止此類情況的發(fā)生，確保電動(dòng)汽車的安全性，就需要通過合理的測(cè)控方式對(duì)鋰電池進(jìn)行熱失控測(cè)量與控制，使其產(chǎn)熱速度不超過散熱速度。基于此，本文就對(duì)其熱失控的測(cè)控及其防火技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析。希望通過本次的分析，可以為鋰電池?zé)崾Э厍闆r的有效避免和電動(dòng)汽車防火性能的提升提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;鋰電池;熱失控測(cè)控;防火技術(shù)

前言：隨著近年來節(jié)能環(huán)保理念的不斷深入，電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展十分迅速。但是在電動(dòng)汽車的具體應(yīng)用過程中，由于鋰電池?zé)崾Э貑栴}所導(dǎo)致的火災(zāi)事故始終沒有足夠科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施。為實(shí)現(xiàn)此類情況的有效避免，在電動(dòng)汽車的研發(fā)設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員就需要對(duì)其鋰電池?zé)崾Э販y(cè)控技術(shù)加以深入研究，并將相應(yīng)的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)置在電動(dòng)汽車內(nèi)，以此來實(shí)現(xiàn)鋰電池?zé)崾Э丶捌洳涣加绊懙挠行Э刂?，盡最大限度降低火災(zāi)事故的發(fā)生幾率，提升電動(dòng)汽車的防火性能。

一、電動(dòng)汽車中的鋰電池?zé)崾Э嘏c火災(zāi)發(fā)生機(jī)理分析

通過現(xiàn)有的相關(guān)研究可知，因?yàn)殇囯姵刈陨淼臒岱纸恻c(diǎn)比較低，所以在環(huán)境溫度過高、機(jī)械撞擊、持續(xù)性的大電流沖擊、過充過放、散熱不良等各種外部因素的影響下，如果其產(chǎn)熱速度超過了其散熱速度，鋰電池溫度便會(huì)出現(xiàn)持續(xù)上升的情況，在溫度達(dá)到了某一數(shù)值的情況下，鋰電池中的正極材料、SEI膜以及電解液俊輝出現(xiàn)熱分解現(xiàn)象，此時(shí)便會(huì)有大量的熱量產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生CH4、H2、HF以及CO等的小分子氣體。隨著這些熱量與氣體的迅速積累，鋰電池中的材料分解反應(yīng)速度也會(huì)進(jìn)一步加快[1]。在這樣的相互強(qiáng)化循環(huán)條件下，鋰電池溫度將會(huì)加速上升，進(jìn)而出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)了熱失控現(xiàn)象，鋰電池內(nèi)部的溫度與壓力將會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到極限，進(jìn)而導(dǎo)致鋰電池爆炸事故產(chǎn)生。在發(fā)生爆炸之后，鋰電池內(nèi)部的氣體和電解液便會(huì)噴出燃燒，進(jìn)而引發(fā)電動(dòng)汽車火災(zāi)事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。

二、電動(dòng)汽車鋰電池?zé)崾Э販y(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與滅火技術(shù)應(yīng)用分析

在對(duì)電動(dòng)汽車中的鋰電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象進(jìn)行測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，其主要的目的就是熱失控產(chǎn)生及其散熱能力進(jìn)行判斷。如果可以在鋰電池剛剛出現(xiàn)熱失控時(shí)將散熱裝置啟動(dòng)，便可在溫度相對(duì)較低的情況下進(jìn)行強(qiáng)力散熱。通過散熱量的加大和散熱時(shí)間的延長(zhǎng)，便可讓鋰電池?zé)崾Э剡M(jìn)程得以中止，進(jìn)而有效避免熱失控所導(dǎo)致的火災(zāi)事故。以下是對(duì)本次所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車鋰電池?zé)崾Э販y(cè)控系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)及其滅火技術(shù)的應(yīng)用所進(jìn)行的分析：

（一）早期的熱失控判斷

通過相關(guān)的熱失控試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池升溫速度的具體變化趨勢(shì)可以將其熱失控進(jìn)程準(zhǔn)確地反映出來。所以在具體的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以將鋰電池升溫速度用作熱失控表征的最佳判斷指標(biāo)。無論是何種原因所引起的熱失控故障，鋰電池溫度都會(huì)呈現(xiàn)出迅速上升趨勢(shì)。針對(duì)這一現(xiàn)象，在測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可對(duì)其溫度測(cè)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行科學(xué)建設(shè)，以此來實(shí)現(xiàn)鋰電池?zé)崾Э貭顟B(tài)下溫度升高速度變化率的科學(xué)計(jì)算，并將具體的計(jì)算結(jié)果作為有效依據(jù)，對(duì)其熱失控進(jìn)程進(jìn)行科學(xué)判斷，在鋰電池發(fā)生爆炸之前盡可能爭(zhēng)取更多的冷卻時(shí)間[2]。下圖是電動(dòng)汽車鋰電池?zé)崾Э販y(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖：

在電動(dòng)汽車中，其動(dòng)力電池是通過若干個(gè)鋰電池單體串聯(lián)所組成的電池組。因此在其熱失控測(cè)控系統(tǒng)中，主要借助于BMS溫度采集單元來進(jìn)行動(dòng)力電池的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。通常情況下，一個(gè)BMU電池管理單元可以進(jìn)行兩個(gè)電池組的監(jiān)測(cè)，而一個(gè)BMS溫度采集單元中則含有兩個(gè)及以上的BMU電池管理單元。具體監(jiān)測(cè)中，主要對(duì)鋰電池單體電壓和溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在通過BMS溫度采集單元進(jìn)行了溫度參數(shù)的采集之后，便會(huì)將獲取到的數(shù)據(jù)傳遞給熱失控判斷單元，在接收到了相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)之后，判斷單元便會(huì)對(duì)各個(gè)鋰電池單體溫度上升速率進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)锽MS溫度采集技術(shù)已經(jīng)十分成熟，所以該系統(tǒng)具有非常好的可靠性。

具體測(cè)控過程中，只要發(fā)現(xiàn)有BMU電池管理單元中輸出的溫度上升速度增加，也就是溫度上升速率超過零，系統(tǒng)便可立即作出鋰電池?zé)崾Э嘏袛啵⒘⒓磳⒗鋮s泵啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)的及時(shí)泵送。與此同時(shí)，熱失控電池組中的電磁閥也將會(huì)被接通，讓冷卻介質(zhì)大量噴向發(fā)生熱失控的電池組，進(jìn)而達(dá)到快速降溫的效果。這樣便可讓電池組熱失控進(jìn)程得以有效中止，防止鋰電池爆炸事故出現(xiàn)。如果整個(gè)電動(dòng)汽車中的多個(gè)鋰電池組都出現(xiàn)了熱失控故障，測(cè)控系統(tǒng)便會(huì)快速對(duì)所有電池組進(jìn)行降溫處理，以此來有效避免惡性事故的產(chǎn)生。

（二）冷卻介質(zhì)的合理選擇

如果電動(dòng)汽車中的鋰電池組出現(xiàn)了熱失控故障，其中便會(huì)有巨大的熱量積聚。因此在測(cè)控系統(tǒng)冷卻液的選擇過程中，不僅需要使其具備足夠大的流量，同時(shí)也應(yīng)該確保其導(dǎo)熱性足夠好。通過這樣的方式，才可以將鋰電池中的大量熱量快速帶走，使其溫度能夠快速下降，以此來達(dá)到良好的熱失控進(jìn)程中止效果，盡最大限度避免由于鋰電池組熱失控故障所引發(fā)的電動(dòng)汽車火災(zāi)事故。出于各方面因素的綜合考慮，在本次所研究的鋰電池?zé)崾Э販y(cè)控系統(tǒng)中，將乙二醇用作冷卻介質(zhì)，這樣便可達(dá)到快速冷卻的效果。

（三）滅火劑的合理選擇

如果電動(dòng)汽車中的鋰電池出現(xiàn)了劇烈的熱失控反應(yīng)情況，測(cè)控系統(tǒng)的冷卻能力無法滿足鋰電池?zé)崾Э剡M(jìn)程的中止需求，熱失控現(xiàn)象將會(huì)繼續(xù)發(fā)展，并很可能出現(xiàn)鋰電池爆炸和火災(zāi)等的安全事故。因此，在測(cè)控系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車安全性的良好保障，不僅需要對(duì)冷卻降溫介質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)也需要做好滅火裝置的設(shè)置。考慮到這一方面的需求，本次設(shè)計(jì)中，將火焰?zhèn)鞲衅髟O(shè)置在了鋰電池安全保護(hù)裝置中，在檢測(cè)到明火時(shí)，滅火裝置便會(huì)立即將滅火劑噴出，以此來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的有效控制。

因?yàn)殇囯姵仄鸹鸷推胀ㄐ问降幕馂?zāi)不同，所以其滅火研究依然屬于一項(xiàng)新的內(nèi)容。如果鋰電池產(chǎn)生的熱失效故障進(jìn)程沒有得到及時(shí)終止，且滅火措施實(shí)施之后鋰電池組依然具有很高溫度，其中的電解液和可燃性氣體依然從中不斷噴出，此時(shí)不可將冷卻液停止噴射，否則便會(huì)出現(xiàn)鋰電池復(fù)燃情況，造成二次災(zāi)害。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，ABC干粉、二氧化碳以及水成膜泡沫形式的滅火劑在隔離、化學(xué)抑制、部分冷卻以及窒息等處理之后便可將鋰電池產(chǎn)生的明火熄滅，但是細(xì)水霧卻無法達(dá)到良好的滅火效果。這是因?yàn)榧?xì)水霧滴具有很小的直徑，在氧氣與熱失控釋放的熱量和可燃性氣體條件下，霧滴就會(huì)迅速變?yōu)闊岬恼羝?，而其冷卻和滅火作用都會(huì)大幅度降低[3]。就二次復(fù)燃阻止能力來看，水成膜泡沫形式的滅火劑具有較好的應(yīng)用性能，經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，相比較其他滅火劑而言，這種滅火劑在滅火之后到復(fù)燃之前的間隔時(shí)間最長(zhǎng)。所以在本次的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，出于安全方面的考慮，將水成膜泡沫形式的滅火劑選作該系統(tǒng)的滅火劑。