解决动力电池热失控需要三板斧

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5月6日~7日,由清华大学主办的第一届全国锂离子电池安全性技术研讨会在北京召开。本次会议围绕动力电池热失控问题(高温热失控为主),讨论影响电池安全性的各种因素,以及如何进一步提升锂离子电池安全性的技术手段与技术措施。清华大学欧阳明高教授在会上分析了动力电池热失控的三种诱因,并对此提出了一些解决方案及建议。

热诱因

通俗来讲,所谓的热诱因就是外部高温环境,包括外部起火、电池散热不良等。在外部高温下,由于锂离子电池结构的特性, SEI膜、电解液等会发生分解反应,电解液的分解物还会与正极、负极发生反应,电芯隔膜将融化分解,多种反应导致大量热量的产生。隔膜融化导致内部短路,电能量的释放又增大了热量的生产。这种累积的互相增强的破坏作用,其后果是导致电芯防爆膜破裂,电解液喷出,发生燃烧起火。

试验数据显示,当电池单体温度达到135℃时,隔膜开始融化,电压下降;150℃电池电压快速下降;等温度高达245℃时,隔膜完全崩溃,电池就会出现起火爆炸的现象。

对此,厂商可以从电池设计和BMS电池管理系统两个方面来解决。从电池设计角度,可以开发来防止热失控的材料,阻断热失控的反应;从电池管理角度,可以预测不同的温度范围,来定义不同的安全等级,从而进行分级报警。

现在市面上的电动汽车的动力电池都包含热管理系统,采用风冷或者水冷方案为电池散热。对于用户,要从使用习惯开始消除热诱因,比如避免阳光直射车辆、车内不要放置易燃物等,同时常备车载灭火器,消除自燃因素。此外,时刻关注仪表板或中控屏上的电池温度信息,一般来说电池单体的工作温度在40℃~50℃之间,高于或低于这个温度范围都是不利于电池使用的。

电化学诱因

电池制造杂质、金属颗粒、充放电膨胀的收缩、析锂等都有可能造成内短路。这种内短路是缓慢发生的,时间非常长,而且不知道它什么时候会出现热失控。若进行试验,无法重复验证。目前全世界专家还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程,都在研究当中。

要解决这个问题,首先提高制造工艺减少电池制造中的杂质。这就要选择产品品质好的电池厂商,其次对内短路进行安全预测,在没有发生热失控之前,要找到有内短路的单体。这意味着必须要找到单体的特征参数,可以先从一致性着手。电池是不一致的,内阻也是不一致的,只要找到中间有变异的单体,就可以将其辨别出来。具体而言,正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路,方程的形式实际上是一样的,只不过正常单体、微短路的单体的参数发生了变化。可以针对这些参数来进行研究,看其在内短路变化中的一些特征。

满电状态的电池负极上嵌入大量锂离子,过充后,负极片上产生析锂现象,出现针状的锂金属结晶,刺穿隔膜发生短路。在BMS电池管理系统中,都会有过充保护策略,当系统检测到电池电压达到阈值时,就会关断充电回路,对电池进行保护。虽然在出厂前,厂家针对BMS都会进行一些列电性能测试,但是为了预防万一,还是不建议广大用户长时间给电动汽车充电,并且选择正规的充电设备,消除过充隐患。

机械电气诱因

碰撞是典型的机械触发热失控的一种方式,也就是汽车碰撞事故而引发电池受损。电池受损时也会产生内短路而引发热失控,但是这种短路与电化学诱因引发的短路不同,机械受损一般是瞬间发生的,对应实际生活中的突发事故,强烈的撞击、翻车、挤压都可以导致电池在很短的时间内发生机械损坏。

解决碰撞(机械)触发热失控的办法就是做好电池的结构安全性保护设计。为此,欧阳明高教授给出了四种设计路线:

1 组装结构设计:塑料框架支撑+钢带预紧的组装结构以及高强度骨架;

2 可靠性设计:利用电池包隔振连接器减少震动磨损;弹性浮动板保证连接可靠性;IP67方式防尘设计;

3 防碰撞轻量化设计:防碰撞CAE结构优化;满足强度要求的电池模组轻量化,方壳系统质量成组效率>90%;

4 电池包定位锁紧技术:利用限位自锁及单项锁紧机构对电池包进行精确定位、锁紧。

与会专家认为,电动汽车电池应符合性能与安全相关要求,安全性测试验证要满足热测试(高温危险、热稳定、无热管理循环、热冲击循环、被动传播电阻),电性测试(短路、过充电和过放电)和机械性测试(冲击、掉落、穿刺、翻滚、浸入、压碎)的安全要求。但是,这并不意味着动力电池企业可以高枕无忧。安全无止境,提高电动汽车安全性,还需要国家、科研机构、动力电池整个产业链条等多方的共同努力。

在燃油汽车发展的一百多年历史中,也曾不断出现事故,遇到挫折是任何事情发展的规律。因此,对于各类事故,电动汽车各产业链不应止步不前,而应审视并完善自身存在的各种问题与不足。同时也应意识到消费者对安全的要求是无止境的,要让安全成为满足一切功能的首要条件。

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