鉅大LARGE | 點擊量：1076次 | 2022年01月15日
談?wù)劅峁芾韺恿︿囯姵叵到y(tǒng)熱失控的重要性
動力鋰電池系統(tǒng)一般重要由電池模組、電池管理系統(tǒng)BMS、熱管理系統(tǒng)以及一些電氣和機械系統(tǒng)等構(gòu)成。目前影響新能源汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用的因素包括電池系統(tǒng)成本、續(xù)航里程以及電池系統(tǒng)安全性等。
隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，安全性日益得到重視，動力鋰離子電池在過充電、針刺、碰撞情況下易引起連鎖放熱反應(yīng)造成熱失控，造成冒煙、失火甚至爆炸等。同時動力鋰電池的性能，包括能量密度、使用壽命受溫度變化影響，所以熱管理的重要性進一步體現(xiàn)出來。
一、熱失控的重要原因
從鋰離子電池的實際應(yīng)用情況來看，車輛在不同的行駛狀況下，單體電芯由于其自身有一定的內(nèi)阻，在輸出電能的同時會出現(xiàn)一定的熱量，使得自身溫度變高，當(dāng)自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時會影響電池的性能和壽命。
而電動汽車上的動力鋰電池系統(tǒng)是由多個動力鋰電池單體電芯構(gòu)成，動力鋰電池系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)大量的熱聚集在狹小的電池箱體內(nèi)，熱量假如不能夠及時地快速散出，高溫會影響動力鋰電池壽命甚至出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致起火爆炸等。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
從鋰離子電池的構(gòu)成部分來看，熱失控的可能原因重要出現(xiàn)在電解液、正負(fù)電極材料的熱穩(wěn)定性能上。比如鋰離子電池在充電時，金屬鋰的表面會沉積枝杈狀鋰枝晶，積累到一定程度就會刺穿電池隔膜，造成正負(fù)極直接接觸而短路導(dǎo)致熱失控。
一旦過充，鋰離子會從正極溢出和電解液溶劑發(fā)生反應(yīng)出現(xiàn)熱量。熱量會反過來繼續(xù)加熱電池觸發(fā)金屬鋰和溶劑、嵌鋰碳和溶劑混合反應(yīng)，在極小空間內(nèi)出現(xiàn)無法立即排出的熱量和氣體，于是電池爆炸。
從單體電芯到成組成系統(tǒng)層面上來看，單體電芯和模組級別的隔熱防控此前并沒有被過多關(guān)注。因此在電池系統(tǒng)的整體設(shè)計中就必須要考慮到電芯單體和電池模塊所在位置的溫度環(huán)境的影響。
在設(shè)計電池模塊排列時，若單體電池或者模組之間排列緊湊且沒有散熱和隔熱措施的話，電池組在充放電時溫度會急劇上升帶來嚴(yán)重的安全隱患。
為了提高動力鋰電池的安全性，防止或抑制熱失控的發(fā)生。整體來看，解決鋰離子電池?zé)崾Э貑栴}要從外部保護和內(nèi)部改進兩個方面進行。在談熱失控控制方法之前先介紹熱管理的構(gòu)成和國標(biāo)的要求。
二、熱管理系統(tǒng)的構(gòu)成
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是從使角度出發(fā)，用來確保電池系統(tǒng)工作在適宜溫度范圍內(nèi)的一套管理系統(tǒng)，重要由導(dǎo)熱介質(zhì)、測控單元以及溫控設(shè)備構(gòu)成。導(dǎo)熱介質(zhì)和電池組相接觸后通過介質(zhì)的流動將電池系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的熱量散至外界環(huán)境中，導(dǎo)熱介質(zhì)重要有空氣、液體和相變材料這三大類。
測控單元則是通過測量電池系統(tǒng)以及電池模組甚至單體不同位置上的實時溫度來控制溫控設(shè)備進行對應(yīng)的熱處理。常見的溫控設(shè)備有風(fēng)扇和泵機等。
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有如下幾項重要功能：(1)電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；(2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)；(3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作；(4)有害氣體出現(xiàn)時的有效通風(fēng)；(5)保證電池組溫度場的均勻分布。
三、國標(biāo)（意見推薦稿）的要求
就《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》來說，里面就有對電池單體和系統(tǒng)的熱失控相關(guān)測試。
比如8.1.5加熱章節(jié)，測試對象為鋰離子電池單體。將測試對象在室溫下，先以1I1電流放電至制造商技術(shù)條件中規(guī)定的放電終止電壓，擱置1h(或制造商供應(yīng)的不大于1h的擱置時間)，然后按制造商供應(yīng)的充電方法進行充電。
→將測試對象放入溫度箱，溫度箱按照5℃/min的速率由室溫升至130℃±2℃，并保持此溫度30min后停止加熱?！囼灲Y(jié)束后，應(yīng)在試驗環(huán)境溫度下觀察1h。
8.2.7章節(jié)熱穩(wěn)定性上分為外部火燒和熱擴散，測試對象為鋰離子電池包或系統(tǒng)。外部火燒基本要求如下：試驗環(huán)境溫度為0℃以上，風(fēng)速不大于2.5km/h。測試中，盛放汽油的平盤尺寸超過測試對象水平尺寸20cm，不超過50cm。
平盤高度不高于汽油表面8cm。測試對象應(yīng)居中放置。汽油液面和測試對象底部的距離設(shè)定為50cm。平盤底層注入水。外部火燒示意圖如圖所示。
第一階段：預(yù)熱。在離測試對象至少3m遠的地方點燃汽油，經(jīng)過60s的預(yù)熱后，將油盤置于測試對象下方。假如油盤尺寸太大導(dǎo)致無法移動，可以采用移動測試對象和支架的方式。
第二階段：直接燃燒。測試對象直接暴露在火焰下70s。第三階段：間接燃燒。將耐火隔板蓋在油盤上。測試對象在該狀態(tài)下測試60s?；蚪?jīng)雙方協(xié)商同意，繼續(xù)直接暴露在火焰中60s。
8.2.7.1.7第四階段：離開火源。將油盤或者測試對象移開，在試驗環(huán)境溫度下觀察2h或測試對象外表溫度降至45℃以下。
四、控制熱失控的方法
通過電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究，加強電池的加熱和散熱能力，保證電池工作在合適的溫度范圍內(nèi)和保持電池箱內(nèi)合理的溫度分布。因此研究要從單體級別的熱失控出現(xiàn)機理及特性方面逐步擴展到由單體熱失控觸發(fā)繼而傳播到整個電池系統(tǒng)的熱失控級別。
從內(nèi)部即電芯層面看，重要從以下三個方面進行研究和改善：
（1）對電解液進行優(yōu)化，對電解液的界面特性進行改良以形成均勻薄質(zhì)的SEI膜，從而提高安全性能，改進相關(guān)有機溶劑、電解質(zhì)鹽和添加劑的配方從而提高熱穩(wěn)定性；
（2）正負(fù)極材料的優(yōu)化，比如針對正極材料進行特殊表面處理，摻雜一些安全材料進行包覆；
（3）在隔膜的選擇上要高安全性能和熱穩(wěn)定的陶瓷涂層隔膜。保證隔膜在受熱收縮程度不會太大從而維持一定的穩(wěn)定性。
從外部即系統(tǒng)層面看，要在進行熱管理系統(tǒng)設(shè)計時要考慮到電芯單體和電池模組這兩個層次的結(jié)構(gòu)。重要可以從以下四個方面進行設(shè)計和防護：
（1）電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的整體設(shè)計要結(jié)合具體電芯使用情況，以做好對應(yīng)的熱管理系統(tǒng)研制和開發(fā)。在電芯成組階段就要完成良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證機械安全和熱安全性。
（2）熱管理材料的應(yīng)用，材料和部件的結(jié)合使用設(shè)計。液冷板的應(yīng)用就能好解決電池的溫度控制，實現(xiàn)高低溫的調(diào)控。
（3）關(guān)注電氣系統(tǒng)在繼電保護、過流防護及高壓互鎖方面的保護功能，尤其環(huán)境耐久性和老化上。
（4）要電池管理系統(tǒng)在熱管理上發(fā)揮監(jiān)控和預(yù)判，實時監(jiān)控電芯的溫度等各種狀態(tài)然后配合熱管理系統(tǒng)采取對應(yīng)控制方式。
五、結(jié)語
結(jié)合今年國家公布的《電動汽車安全要求》、《電動客車安全要求》和《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》三份意見征求稿，可以看到對熱失控的要求越來越嚴(yán)。這意味著熱管理的重要性日益被重視，所以做好熱管理的相關(guān)工作顯得十分重要。
