導(dǎo)語：電動汽車鋰電池?zé)崾Э販y控技術(shù)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

近年來，電動汽車因其滿足節(jié)能環(huán)保綠色出行的理念得到了快速發(fā)展，連續(xù)5年產(chǎn)銷占比全球第一。2019年12月，《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》征求意見稿提出，2025年，新能源汽車新車銷量占汽車總銷量比例達(dá)25%左右，2019年該比例為4.7%，未來6年有超5倍的增長，空間巨大，同時(shí)也說明完成的任務(wù)比較艱巨。為了促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，影響人們購車的顧慮必須盡快消除。2018年前10月，國內(nèi)發(fā)生40起新能源汽車起火事故，鋰電池熱失控是引發(fā)電動汽車安全事故的關(guān)鍵因素[1]，是電動汽車消費(fèi)的重大顧慮[2]。

1熱失控機(jī)理

現(xiàn)有研究表明，鋰離子電池在自身因素和外部誘發(fā)的情況下，如果電池的產(chǎn)熱速度大于散熱速度，電池的溫度會逐步升高。當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值時(shí)，電池的SEI膜、正極材料、電解液發(fā)生熱分解，產(chǎn)生大量的熱量和小分子氣體如CO、HF、H2、CH4。熱量和氣體的快速積聚又加劇了材料的分解反應(yīng)，如此相互強(qiáng)化循環(huán)，溫度上升加速，形成熱失控。在極短的時(shí)間內(nèi)，電池內(nèi)部溫度和壓力達(dá)到極限值，電池爆炸，電解液和氣體噴出燃燒，產(chǎn)生火災(zāi)。導(dǎo)致熱失控的自身因素主要是電池材料的熱穩(wěn)定性不高，熱分解點(diǎn)低，外部誘發(fā)主要指散熱不良、過充過放、持續(xù)大電流沖擊、機(jī)械撞擊、環(huán)境溫度過高等。

2熱失控防控措施

從熱失控的反應(yīng)鏈可知，除了強(qiáng)化國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以外，可采取提高電池自身性能、杜絕誘發(fā)因素和加強(qiáng)散熱性能的技術(shù)措施來預(yù)防熱失控。2.1強(qiáng)化國家標(biāo)準(zhǔn)。新能源汽車在世界范圍內(nèi)是新生事物，在我國是新興產(chǎn)業(yè)，相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)在逐步建立和完善[3]。健全的安全標(biāo)準(zhǔn)體系是電池安全的基本保障，涵蓋電池的生產(chǎn)、測試、使用和回收環(huán)節(jié)。隨著整車性能要求的提高和電池技術(shù)的進(jìn)步，原有標(biāo)準(zhǔn)會及時(shí)修訂，新的標(biāo)準(zhǔn)會相應(yīng)推出。2.2提高電池安全性能。提高電池的安全性能包括電池生產(chǎn)和電池材料兩個(gè)方面，電池生產(chǎn)主要是保證電池的一致性，材料包括正極、負(fù)極、電解液、隔膜。2.2.1一致性要求電動汽車用動力電池的整體性能取決于電池組中性能最差的單體電池，因此，各單體電池的性能一致能最大程度確保發(fā)揮動力電池的最佳性能。動力電池的一致性包括容量一致性、內(nèi)阻一致性、電壓一致性。如果某個(gè)單體單體電池的初始容量大或者是小，那么在充電時(shí)該單體電池就很容易過充或者放電時(shí)最先過放，從而產(chǎn)生熱失控。同樣，內(nèi)阻的一致性和電壓的一致性，對動力電池安全的影響巨大。2.2.2動力電池材料性能。從動力電池安全角度來講，動力電池材料性能主要指材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性，其中尤以熱穩(wěn)定性最為突出。為防止熱失控的產(chǎn)生，研究人員通過不同方法來提高材料的熱穩(wěn)定性[4]。對于電解液，可通過添加功能添加劑、用離子液體取代有機(jī)溶劑、選擇熱穩(wěn)定性好的鋰鹽、采用聚合物電解質(zhì)的方法提高熱穩(wěn)定性。正極與電解液反應(yīng)是熱失控的主要原因，選用MgO、A12O3、ZnO、SiO2、TiO2等物質(zhì)對正極材料進(jìn)行表面包覆，可提高正極材料的安全性。中間相碳微球（MCMB）的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較層狀石墨更好。隔膜在高溫下產(chǎn)生熱縮變形會增大微孔的尺寸，更有利于鋰離子的遷移，加快熱失控進(jìn)程。可通過熱穩(wěn)定性隔膜替代，也可采用添加少量Al2O3或SiO2納米粉的隔膜，提高隔膜的熱穩(wěn)定性。2.3改善BMS性能。BMS稱為電池管理系統(tǒng)，其作用是監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度、電量，防止電池過電流、過充、過放、過溫，一旦發(fā)現(xiàn)有這些情況的發(fā)生，就會中止充電進(jìn)程，或者切斷電池對外供電，一定程度上能降低發(fā)生熱失控的幾率。但對電池內(nèi)部短路，比如枝晶、針刺引起的內(nèi)部短路，以及已經(jīng)發(fā)生的熱失控，BMS無能為力。2.4改善散熱性能熱失控反應(yīng)鏈表明，如果電池產(chǎn)熱速度低于散熱速度，則溫度的自我強(qiáng)化循環(huán)就建立不起來，熱失控就不會產(chǎn)生。為此，陳潔[5]等研究了基于熱管冷卻的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)對防止熱失控的性能，整個(gè)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)由電池組、隔熱板、熱管組、冷卻介質(zhì)組成。在兩相鄰單體電池之間放置熱管組或隔熱層，熱管組中的銅片襯于熱管和單體電池之間，以增大散熱面積，依靠熱管組中液體的相變吸熱完成冷卻作用，隔熱板置于兩相鄰單體電池之間，用于隔離相鄰單體電池之間的熱傳遞。通過優(yōu)化隔熱措施和冷卻方式可有效提高電池組工作溫度的穩(wěn)定性，阻斷熱失控傳播。該結(jié)構(gòu)對降低熱失控的發(fā)生概率有一定作用，但效果有限，且加大了電池組的體積，增加了重量。

3基于熱平衡的熱失控測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于熱平衡的熱失控測控系統(tǒng)的效果取決于及時(shí)判斷熱失控的產(chǎn)生和散熱能力。如能在熱失控剛發(fā)生時(shí)起動散熱裝置，就能在相對低溫點(diǎn)開始強(qiáng)力散熱，增加了散熱時(shí)間，加大了散熱量，從而中止熱失控進(jìn)程。3.1熱失控的早期判斷皇甫趁心。[6]和羨學(xué)磊[7]等通過熱失控試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電池的溫升速率的變化可準(zhǔn)確反映熱失控進(jìn)程，是表征熱失控的最佳指標(biāo)。無論是針刺還是過充，熱失控時(shí)電池的溫升速率都是增加的。為此，可建立電池的溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算電池的溫升速率變化，以鋰電池的溫升速率為依據(jù)，判斷熱失控的產(chǎn)生，為在電池爆破之前，贏得寶貴的冷卻時(shí)間。測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1熱失控測控系統(tǒng)BMS溫度采集單元熱失控判斷單元單元電磁閥單元電磁閥BMU1BMUn速率計(jì)算速率增減判斷速率增減判斷速率計(jì)算判斷輸出≥1nnn冷卻泵電動汽車實(shí)際應(yīng)用的動力電池，是由若干個(gè)單體電池串聯(lián)組成一個(gè)電池組，再由若干電池組串聯(lián)構(gòu)成車用動力電池，采用BMS對動力電池進(jìn)行監(jiān)測保護(hù)。一般用一個(gè)電池管理單元BMU對2個(gè)電池組進(jìn)行監(jiān)測，一個(gè)BMS包含2個(gè)以上的BMU，監(jiān)測的指標(biāo)有單體電池的溫度、電壓等。因此，本熱失控測控系統(tǒng)可利用隨車的BMS的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)熱失控判斷單元計(jì)算每個(gè)單體電池的溫升速率。由于BMS技術(shù)相對成熟，這樣可提高測控系統(tǒng)的可靠性。只要任意一個(gè)BMU輸出的溫度的溫升速度增加即速率大于零，則系統(tǒng)判斷該電池組中發(fā)生了熱失控，隨即啟動冷卻泵，泵送冷卻介質(zhì)。同時(shí)，該電池組的電磁閥被接通，冷卻介質(zhì)被噴向該電池組，使電池組快速降溫，從而中止熱失控進(jìn)程，避免電池爆燃事故的發(fā)生。如果幾個(gè)電池組均發(fā)生了熱失控，系統(tǒng)會使所有電池組快速降溫，保證整個(gè)動力電池不發(fā)生惡性事故。3.2冷卻介質(zhì)和滅火劑的選用。3.2.1冷卻介質(zhì)的選用。車用鋰電池發(fā)生熱失控時(shí)會積聚巨大的熱量，因此，在保證冷卻液的流量足夠大的同時(shí)，還應(yīng)使冷卻液具有良好的導(dǎo)熱性，才能及時(shí)帶走電池產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)電池溫度的下降。3.2.2滅火劑的選用。如果鋰電池的熱失控反應(yīng)過于激烈，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)冷卻能力不足的問題，則熱失控依然有發(fā)展為電池爆燃事故的可能性，所以，為保障電動汽車的安全，對熱失控除了采取冷卻降溫措施之外，還應(yīng)預(yù)設(shè)滅火裝置。為此，鋰電池安全保護(hù)裝置需設(shè)置火焰?zhèn)鞲衅鳎?dāng)發(fā)現(xiàn)有明火時(shí)，滅火裝置及時(shí)噴灑滅火劑，預(yù)防災(zāi)害的擴(kuò)大。鋰電池起火不同于普通的火災(zāi)，有他的特殊性，對他的滅火研究還是一個(gè)新的課題。只要鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)鏈沒有被中止，實(shí)施滅火措施后電池的溫度還是很高，可燃?xì)怏w和電解液會不斷噴出，如果此時(shí)停止冷卻液的噴射，則電池會發(fā)生復(fù)燃的二次災(zāi)害。研究表明[8]，二氧化碳、ABC干粉、水成膜泡沫滅火劑通過窒息、化學(xué)抑制、隔離和部分冷卻等方式可撲滅鋰離子電池明火，但細(xì)水霧卻不能有效滅火。原因在于，細(xì)水霧霧滴直徑小，在熱失控持續(xù)放熱、釋放可燃?xì)怏w和氧氣的情況下，其受熱蒸發(fā)的冷卻滅火和蒸汽隔絕空氣的窒息滅火效果大大減弱。上述滅火劑在阻止復(fù)燃能力方面，水成膜泡沫滅火劑相對較好，滅火后出現(xiàn)復(fù)燃的時(shí)間最長。因此，從安全角度考慮，在傳統(tǒng)的滅火劑種類中，細(xì)水霧不適合用于鋰電池滅火，應(yīng)選擇水成膜滅火劑。

4總結(jié)

①基于熱失控反應(yīng)機(jī)理，在鋰電池材料的熱性能沒有得到根本性改變之前，熱失控是鋰電池的基本屬性，無法完全避免，從熱平衡角度建立熱失控判斷及防控系統(tǒng)具有極大的應(yīng)用價(jià)值。②鋰電池的溫升速率能同步明顯反映熱失控過程，是判斷熱失控的最佳指標(biāo)。作為防控?zé)崾Э氐耐暾桨福谠O(shè)置冷卻裝置的同時(shí)，還要預(yù)設(shè)滅火裝置。為防止復(fù)燃，在滅火的同時(shí)，冷卻裝置不應(yīng)停止工作。③對滅火劑的選擇，在現(xiàn)有種類中，優(yōu)先選用水成膜滅火劑。

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作者:高俊祥 高孝亮 周克輝 周永輝 單位:1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2.衡陽鐳目科技有限公司