新能源汽車動力電池熱失控分析

關(guān)鍵詞：新能源汽車；熱失控；動力電池

0 前言

隨著我國新能源汽車銷量的不斷增長，新能源汽車的保有量也在快速增加。隨著新能源汽車保有量的增加，新能源汽車因熱失控導(dǎo)致的火災(zāi)事故日益頻發(fā)，因此，對新能源汽車火災(zāi)熱失控開展調(diào)查研究，有利于我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的安全健康發(fā)展。

1 研究背景

三元鋰離子電池因其高能量密度的獨特優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，但其安全性卻未能完全與其市場規(guī)模相匹配。在新能源汽車起火事故中，電芯熱失控為動力電池故障的主要原因。深入研究三元鋰離子電池的熱失控及其擴展特性，以及火災(zāi)深度調(diào)查技術(shù)，可為新能源汽車行業(yè)提供有效的熱失控缺陷預(yù)防方案。

2 熱失控機理

鋰離子動力電池單體的熱失控機理如圖1 所示［1］。在發(fā)生熱失控的過程中，電池通常會發(fā)生固體電解質(zhì)界面（SEI）膜分解反應(yīng)、正極或負極活性物質(zhì)與電解液反應(yīng)、電解液分解反應(yīng)、負極活性物質(zhì)與黏結(jié)劑反應(yīng)等［2］。在高溫環(huán)境下，鋰離子電池的容量會明顯降低，與此同時，電池正極和負極的內(nèi)阻均有所增長，其中正極內(nèi)阻的增長相對較小，而負極內(nèi)阻的增長則更為顯著。當溫度超過80 ℃時，鋰離子電池內(nèi)部會發(fā)生熱分解反應(yīng)。在80～120 ℃的溫度范圍內(nèi)，SEI 膜會發(fā)生分解反應(yīng)，從而導(dǎo)致負極活性物質(zhì)失去保護。負極活性物質(zhì)一旦失去保護，嵌入負極的鋰金屬便會與電解液發(fā)生反應(yīng)，溫度繼續(xù)上升會引發(fā)電池多孔隔膜閉孔。常見的隔膜材料有聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）2 類，其隔膜閉孔的起始溫度分別約為130 ℃ 和170 ℃ ，隔膜閉孔會阻斷外部短路的電流回路，起到一定的自保護作用，但如果溫度繼續(xù)上升，隔膜會在190 ℃左右解體，引發(fā)內(nèi)部短路，過大的電流會使溫度迅速升高，進而引發(fā)正極分解與電解質(zhì)分解反應(yīng)。正極分解釋放大量的熱量，被認為是觸發(fā)熱失控的重要原因之一［3］。鋰離子正極材料在分解過程中會釋放出氧氣，隨著氣體的迅速聚集和膨脹，電池內(nèi)部的壓力會迅速上升。一旦內(nèi)部壓力超過電池安全閥所能承受的極限，就會形成噴射現(xiàn)象，這將對電池的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重威脅。

3 熱失控觸發(fā)方式

熱失控的觸發(fā)方式主要包括機械濫用、電濫用和熱濫用，如圖2 所示。機械濫用是指車輛碰撞等引發(fā)車輛結(jié)構(gòu)破壞進而導(dǎo)致B 級電路短路，電池受到擠壓、穿刺等物理結(jié)構(gòu)損壞；電濫用是指外部電路過流、短路等非預(yù)期的大電流超過了電池或電池系統(tǒng)可以承受的最大電流，導(dǎo)致線纜發(fā)熱、電池熱失控等；熱濫用是指電池受到超過電芯安全閾值的加熱，從而引起電芯熱失控，其中加熱原因可能來自相鄰的熱失控電池，也可能來自車輛散熱系統(tǒng)失效所積攢的熱量。3 種濫用觸發(fā)方式之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系［1］。當發(fā)生機械濫用時，電池會發(fā)生變形；這種變形會進一步導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生短路，即發(fā)生電濫用；電濫用通常會伴隨著焦耳熱和化學反應(yīng)熱的產(chǎn)生，這2 種熱量的累積會導(dǎo)致電池的熱濫用；熱濫用則進一步造成電池溫度的急劇上升，最終引發(fā)鋰離子電池的熱失控鏈式反應(yīng)。

4 新能源汽車熱失控預(yù)警安全特征參數(shù)

為了實現(xiàn)對電池、電機、電控（以下簡稱“ 三電”）系統(tǒng)的預(yù)警和故障診斷，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動方法提取三電系統(tǒng)運行中的安全特征參數(shù)，并嚴格監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)變化情況，從而實現(xiàn)三電系統(tǒng)故障的識別，這是保障新能源汽車安全的重要方向。

在動力電池方面，當前大部分關(guān)于安全特征參數(shù)的研究是基于恒定工況，針對多場耦合、復(fù)雜交變應(yīng)力條件下的性能演變規(guī)律和安全特性方面的研究較少，往往僅通過內(nèi)阻、容量等少量參數(shù)進行表征，難以全面反映動力電池狀態(tài)。電機電控相關(guān)研究也存在表征參數(shù)較少等問題，所得結(jié)論難以在實車工況下得到應(yīng)用。總之，現(xiàn)有方法不適用于實際使用條件下的復(fù)雜工況環(huán)境，存在診斷指標單一、報警時間短等缺點，無法從根本上遏制熱失控等常見新能源汽車事故的發(fā)生。目前，新能源汽車安全特征參數(shù)閾值體系尚不完善。

5 熱擴散防護

熱擴散防護技術(shù)是一個系統(tǒng)性工程，主要包括熱失控防護設(shè)計、安全狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷溯源3 個方面。

5. 1 熱失控防護設(shè)計

熱失控防護設(shè)計側(cè)重于單體性能的改善，一般通過對單體內(nèi)部材料的改進與優(yōu)化實現(xiàn)。在正負極材料方面，新材料的摻入或包覆，同時改善正負極材料攪拌工藝，可以提高正負極材料的穩(wěn)定性，還可以通過改善電性能的方式降低熱失控的發(fā)生概率；在電解液方面，通過加入功能添加劑（如阻燃劑、過充保護劑等），可以提升單體電芯的熱性能。

5. 2 安全狀態(tài)監(jiān)控

電池管理系統(tǒng)應(yīng)實時采集動力電池的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，進行荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、最大充放電功率等參數(shù)的監(jiān)控，從而對動力電池進行合理控制，使得動力電池能夠在復(fù)雜車用環(huán)境下安全可靠地正常運行［4］。當動力電池的電壓出現(xiàn)非正態(tài)偏離或者觀測參數(shù)超越控制閾值時，需要進行主動控制和系統(tǒng)預(yù)警。

5. 3 故障診斷溯源

故障診斷溯源系統(tǒng)作為電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，可對問題根源進行針對性控制。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置模型，通過監(jiān)測單體電壓、溫度等特征參量，可判定單體是否出現(xiàn)熱失控，進而通過報警或預(yù)警的方式提醒新能源汽車用戶，以避免極限工況的發(fā)生。

6 結(jié)語

本文基于國內(nèi)外新能源汽車熱失控的反應(yīng)機理及誘因研究現(xiàn)狀分析，闡述了新能源汽車在運行安全及風險防控等方面面臨的理論難點及科學挑戰(zhàn)，經(jīng)過對在役新能源汽車失控事故機理進行深度調(diào)查、缺陷識別與判定、風險預(yù)警與防控等，得出了在現(xiàn)有新能源汽車因熱失控引起的火災(zāi)事故中，開展針對事故數(shù)據(jù)的挖掘分析及研究的重要性。