鋰離子動力電池系統熱失控檢測方法和技術綜述*

李愷翔，王珺瑤，李士戎

（1.廣州汽車集團汽車工程研究院，廣東 廣州 510640；2.廣汽埃安新能源汽車有限公司，廣東 廣州 511434；3.中山大學低碳科技與經濟研究中心，廣東 廣州 510006；4.山西省消防救援總隊，山西 太原 030001）

當前，新一輪科技革命和產業變革蓬勃發展，汽車與能源、交通、信息通信等領域的相關技術加速融合，電動化、智能化、網聯化成為汽車產業的發展潮流和趨勢。汽車產品形態、交通出行模式、能源消費結構正在發生深刻變革，為新能源汽車產業提供了前所未有的發展機遇?？梢灶A見，新能源汽車將成為全球汽車產業轉型發展的主要方向和促進世界經濟持續增長的重要引擎。

目前，電動汽車動力電池向高能量密度和超級快充技術發展，隨之帶來更高的熱負荷對電池系統設計提出新的挑戰，同時電動汽車熱失控導致消費者對電池的安全焦慮日趨嚴重。

電動汽車安全全球技術法規（EVS-GTR）和我國工業和信息化部發布的《電動汽車用動力蓄電池安全要求》均提出強化安全監測及預警功能，在發生熱失控時需向乘員發出熱事件預警并提示離車[1]。為最大程度避免或減少熱失控事故的發生，需要利用傳感器技術對電池工作狀態進行實時監控和檢測。根據電池正常工作狀態和異常產熱狀態各物理量變化，目前常用的檢測信號有電壓、溫度、煙霧、特征氣體、氣壓等，還有聲學、膨脹力等前沿檢測方法。針對鋰離子動力電池熱失控的特點，本文梳理和對比了各類傳感器的工作原理和性能差異，同時設計和分析了各類組合方案，以期為工程應用和設計開發者提供參考。

1 電池熱失控檢測方法分析

1.1 電壓檢測

電壓信號是電池管理系統（Battery Management System，BMS）工作的基礎信號，熱失控檢測一般復用模組內的單體電壓采集信號。目前，在電池模組中通常采用柔性印刷電路板 （Flexible Printed Circuit，FPC）來進行溫度和電壓信號的采集，采樣精度可實現1~3 mV。當電池發生熱失控時，內熱源使得電池自體溫度迅速上升，當電池隔膜（聚烯烴多孔膜）溫度超過110℃時開始收縮、穿孔[2]，造成電芯內短路從而無法保持電壓，出現電芯電壓迅速下降的情況。因此，根據電壓值變化或電壓變化率可判斷電池熱失控的發生。電壓觸發條件及推薦閾值見表1。

表1 電壓觸發條件及推薦閾值

但在工程應用方案中很難以電壓作為熱失控判斷的唯一依據，原因為：一是電芯串并聯成組使用時，如果電芯以并聯方式連接，熱失控電芯電壓下降會被并聯電芯（未發生熱失控）電壓覆蓋，無法及時報出電壓過低或壓降過快信號，需與之并聯的電芯全部發生熱失控后才會出現電壓降低；二是BMS主板或從板受干擾或發生采樣故障時，電壓信號異常導致熱失控預警誤觸發；三是電池系統大功率放電時（如上坡或急加速工況），由于電池極化，單體電芯電壓迅速下降導致熱失控預警誤觸發。根據中國科學院相關研究結果，電池電壓下降速率特征參數報警閾值應不低于0.05 V/s[3]。

1.2 溫度檢測

電池熱失控作為典型的熱失效故障，最直接的量化判斷依據就是溫度信號。熱失控檢測一般復用模組內FPC溫度采集信號，常用的FPC溫度傳感器為負溫度系數（Negative Temperature Coefficient，NTC）傳感器，采樣精度為0.1℃。目前絕大多數工程應用方案受BMS通道數和成本限制，無法對模組內每一顆電芯進行溫度監控，一般每個模組布置2~4個溫度傳感器來監測電池溫度狀態。

當電池發生熱失控時，內熱源使得電池自體溫度迅速上升，熱量傳導至電芯頂部NTC位置，靠近熱失控電芯位置的溫度信號超出正常工作范圍。因此，根據溫度值變化、溫度變化率或各點溫度差異可判斷電池熱失控的發生。溫度觸發條件及推薦閾值見表2。

表2 溫度觸發條件及推薦閾值

與電壓參數類似，在工程應用方案中很難以溫度信號作為熱失控判斷的唯一依據，原因為：一是熱傳導需要一定時間，如溫度傳感器遠離熱失控電芯，則溫度信號變化相應延遲；二是BMS主板或從板受干擾或發生采樣故障時，溫度信號異常導致熱失控預警誤觸發；三是電池系統大功率放電時（如上坡或急加速工況），由于電芯或集流體、匯流排、銅排等附件產熱，NTC溫度信號快速上升導致熱失控預警誤觸發；四是電池熱管理系統失效，如水泵堵轉引起電池系統局部溫度過高導致熱失控預警誤觸發。

1.3 氣壓檢測

除電壓、溫度這類基礎數據外，電池包內的氣壓信號也可用于熱失控檢測，在工程應用領域是使用電池包內放置的氣壓傳感器進行檢測。電池包通過殼體上布置的透氣閥可實現內外氣壓平衡，即正常工作的電池包內氣壓應與外界大氣壓力一致，為101 kPa。當單體電池發生熱失控釋放大量高溫氣體后，電池包內氣壓快速上升，一般會到120 kPa以上[4]，觸發電池包的泄壓閥（防爆閥）后，氣壓快速回落。隨后第二個單體發生熱失控之后，氣壓會再次上升。氣壓觸發條件及推薦閾值見表3。

表3 氣壓觸發條件及推薦閾值

工程測試結果表明，氣壓傳感器誤判概率極低，即監測到電池包內氣壓突增極大概率是電芯發生了熱失控，但其漏判概率較高，原因為：一是由小型電芯組成的電池系統如18650電池，其單體電芯熱失控產氣和溫度較低[5]，無法引起氣壓大幅度上升，可能無法達到觸發條件；二是電池熱失控引起的壓力峰值保持時間較短，一般為100 ms，隨后高溫氣體隨電池包殼體配備的低壓防爆閥（一般開啟壓力為3~5 kPa）排出，避免爆炸風險。傳感器因采樣頻率限制可能無法捕捉一過性的高壓信號。

1.4 煙霧檢測

煙霧傳感器廣泛應用于火災安全檢測。光電煙霧傳感器內有一個光學迷宮，安裝有紅外燈管，無煙時紅外接收管收不到紅外發射管發出的紅外光。當煙塵進入光學迷宮時，通過折射、反射，接收管接收到紅外光，通過報警電路判斷是否超過閾值并發出警報。電池熱失控時發生劇烈的燃燒和爆炸，釋放出大量的固體和液體顆粒，其中以由電池極片（正極活性材料和負極石墨）產生的碳粉末為主。根據美國航空航天局（NASA）的研究結果[6]，以NCM 18560鋰離子電池為例，電池熱失控時煙氣顆粒的平均直徑為5μm，顆粒物中包含多種有機成分和無機成分，可在電池包內形成穩定的氣溶膠。煙霧隨氣流擴散到電池包傳感器位置，觸發煙霧報警可實現熱失控檢測功能。煙霧觸發條件及推薦閾值見表4。

表4 煙霧觸發條件及推薦閾值

空氣中的粉塵濃度一般不超過1 000μg/m3，為避免熱失控誤報，傳感器報警閾值一般標定為≥5 000μg/m3。煙霧傳感器在工程應用領域的局限性主要有：一是部分配備冷媒制冷系統的電池包在高溫高濕地區啟動冷卻時在傳感器表面產生凝露，引發誤報；二是由于熱失控煙霧隨氣流路徑擴散，若傳感器未布置在氣流路徑上會造成一定概率延遲或漏報。

1.5 特征氣體和揮發性有機化合物檢測

在電池熱失控前的熱濫用階段，電芯內部會發生劇烈反應而產生氣體，其中以電解液六氟磷酸鋰（LiPF6）、 碳酸甲乙酯（EMC）、 碳酸二乙酯（DEC）、碳酸乙烯酯（EC）的分解為主。此時電芯內部壓力不斷增加，當超過電芯防爆閥開啟壓力（0.8~1.1 MPa）后有機蒸汽噴出并劇烈燃燒，由此產生的揮發性有機物主要有甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷等[7-10]。除揮發性有機物外，某些成分占比較高的氣體也可作為特征氣體用于熱失控檢測，如一氧化碳、氫氣，見圖1。

圖1 鋰離子電池熱失控產氣各成分體積占比

氣體檢測在工程應用中需注意根據電池熱失控特點進行針對性的傳感器標定，如磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池熱失控產氣成分具有較大差異[11]。同款電芯在不同荷電狀態（State of Charge，SOC）下成分占比也有較大差異[12]，見第45頁表5。

表5 不同SOC下產氣成分情況 （%vol）

此外還需要注意電池包作為密閉空間，電池系統其他附件釋放的氣體對傳感器的影響，如以一氧化碳為特征氣體的傳感器易被電池模組中普遍使用的結構膠所釋放的乙烯成分干擾（最大偏差可達1 000×10-6）。另外銅排絕緣層在高溫條件下（如超級快充）釋放的揮發性有機化合物成分也可能造成傳感器誤判。

1.6 膨脹力檢測

鋰離子電芯在制造和使用過程中會有膨脹現象，主要原因是電池充放電過程中鋰離子嵌入/脫出帶來的厚度變化，電芯充電時鋰離子從正極脫出嵌入負極引起負極層間距增大導致材料膨脹，電芯越厚其膨脹量越大，對應的膨脹力也越大。一些前瞻研究結果表明，鋰電池熱失控前的膨脹力較正常充放循環有顯著差異[13-16]，通過傳感器標定區分正常和異常膨脹力變化范圍可有效預警熱失控的發生。

模組膨脹力傳感器一般采用外置式和內置式兩類測量方案，見第45頁圖2。外置式通過模組端板和側板相對形變量換算電芯膨脹力，而內置式直接通過薄膜式壓電傳感器來測量電芯膨脹力。在工程應用過程中，膨脹力檢測的傳感器標定還面臨較大的技術瓶頸，具體體現在：一是不同電池體系的膨脹力變化具有較大差異，如磷酸鐵鋰電池的膨脹力明顯小于三元鋰電池；二是相同電池體系電池采用不同負極體系的電池具有較大差異，如同樣采用811三元正極材料的電池配合硅碳負極材料使用時膨脹力會明顯大于石墨體系負極[17]；三是不同SOC下的膨脹力變化，以三元523電芯為例，一般在80%SOC時測得最大膨脹力；四是不同電池健康狀態（State of Health，SOH）下的膨脹力變化，相同SOC下一般電芯循環壽命末期膨脹力會明顯大于新電芯[18]；五是不同溫度條件下的膨脹力變化，低溫狀態下的電池膨脹力隨之降低；六是震動沖擊條件對傳感器采樣的影響，當膨脹力傳感器（一般為應力應變傳感器）受到各方向加速度和震動時測量結果會有一定程度的偏移。

圖2 模組膨脹力傳感器布置方案

1.7 聲學檢測

對電池進行聲學檢測屬尚未產業化的前瞻學術研究。圖3為聲學檢測麥克風布置方式，研究人員將特制麥克風安裝在軟包電池鋁塑膜表面，通過無背景噪聲環境檢測電池充放電過程中產生的聲波，經聲發射（Acoustic Emission，AE）分析，可分離出電池副反應的聲波波形。有效檢測包括檢測電極材料開裂/塌陷、固體電解質界面膜（SEI膜）增厚、負極析鋰等影響電池安全的因素[19]。通過AE分析可區分出一個潛在的負極鋰枝晶析出起始點，見圖4。負極鋰枝晶生長會刺破電池隔膜，造成電芯內短路從而引發熱失控[20]。

圖3 聲學檢測麥克風布置方式

圖4 電池充放電循環過程中出現的負極析鋰

熱失控聲學AE檢測雖然可以將熱失控預警時間大幅提前，但在工程應用領域還有大量工作需要完善，包括：一是聲學檢測環境要求無背景噪聲，在行車過程中可能無法工作；二是BMS電路等產生的規律性噪聲信號需要被妥善過濾；三是高解析度的車規級麥克風傳感器目前成本較高。

2 各方案對比及組合策略

通過分析對比上述7類熱失控信號源檢測方法的各自優勢和缺陷，本文從預警提前量、檢測速度、誤報概率、漏報概率、適用性、成本等方面進行綜合評估，評估結果見表6。

表6 熱失控判斷信號比較

由于單一傳感器信號無法涵蓋所有檢測需求，故在工程應用中要對上述信號進行組合校驗。表7展示了幾類熱失控報警條件組合方式，可供參考。

如表7所示，對于溫度和電壓的組合，溫度電壓數據相互校核可有效降低誤報概率；溫度電壓+氣壓組合在有效降低誤報概率的同時可提升檢測速度；溫度電壓+煙霧方案在有效降低誤報概率的同時可降低漏報概率。對于需要增加預警提前量的情況，可將膨脹力或聲學信號與溫度電壓相耦合，通過優化組合一定程度上可避免熱失控的發生[21]。

表7 熱失控信號組合方案

3 結束語

電池安全問題是目前困擾新能源汽車發展的主要瓶頸之一。隨著新能源汽車保有量的上升，由電池熱失控引發的安全事故逐年增多，開發和設計快速準確的熱失控檢測系統成為工程領域亟待解決的問題。本文通過分析比較各類熱失控傳感器信號及其組合使用方案，為電池熱失控檢測提供參考和依據。通過分析比較可知，溫度和電壓檢測作為電池系統熱失控檢測的“基礎套餐”，可低成本地滿足大多數檢測需求。但由于鋰離子電池熱失控早期電池溫度、電壓等特征識別參數的變化非常緩慢，無法通過BMS及早地監測到電池故障，因此，利用氣體和壓力檢測傳感器可實現鋰離子電池熱失控早期預警。例如，將壓力信號耦合到電壓溫度檢測方案，可在有效降低誤報概率的同時提升檢測速度；將煙霧傳感器與電壓溫度組合，可在有效降低誤報概率的同時降低漏報概率。將膨脹力或聲學信號的前瞻研究應用于熱失控檢測將大幅增加熱失控的預警提前時間，通過優化組合和熱失控抑制手段一定程度上可避免熱失控的發生。