新能源汽車用鋰離子電池防火安全設計

李勁夫

（湖南財經工業職業技術學院，湖南衡陽，421000）

引言

為保證國家能源安全并有效降低碳排放量，我國將新能源汽車作為七大戰略性產業之一。習近平總書記指出：發展新能源汽車是我國從汽車大國走向汽車強國的必由之路。在眾多正面政策的鼓勵下，中國新能源汽車市場一年一個大臺階。2016年50萬輛、2017年80萬輛、2018年將超100萬輛以上，2020年規劃為200萬輛。在新能源汽車發展中，鋰離子電池因能量密度高、自放電率低及壽命長等特點，成為新能源汽車的主要動力來源。然而由于鋰離子電池內部的電解液是易燃液體，電極是可燃材料，鋰電池在過充、短路、過熱、穿刺或碰撞等情況下容易發生熱失控，引發起火甚至爆炸，新能源汽車因電池熱失控引發火災的案例時有發生［1］。在某種程度上來說鋰離子電池的防火安全對新能源汽車發展有著重大影響。

1 鋰離子電池熱失控

1.1 車用鋰離子電池系統的組成

車用鋰離子電池系統典型結構如圖1所示。

圖1 一種典型的電動汽車電池系統

其主要由以下幾部分組成：動力電池系統ESS、交流感應電機Drive Unit、車載充電機Charger、高壓配電盒HV Junction Box加熱器PTC heater、空調壓縮機A／C compressor、直流轉換器DCDC。該電動汽車電機采用三相交流感應電機，并且將電機控制器、電機、以及傳動箱集成于一體。

1.2 鋰離子電池系統熱失控分析

“熱失控”是能量的正反饋循環：上升的溫度使系統升溫，系統變熱，溫度升高，這反過來使系統變熱。

（1）在外部高溫（外部火災、電池散熱不良）下，鋰離子電池SEI膜、電解液等將被分解，分解的電解液會與正負電極發生反應，各種反應導致產生大量的熱量，膜片熔化又會導致內部短路，電能的釋放增加了熱量的產生。這種累積和相互增強的破壞作用導致鋰離子電池火災的發生。

（2）電化學感應、電池制造雜質、金屬顆粒、充放電收縮等，可能引起內部短路，這種內部短路往往發生得慢，耗時長，不知道什么時候會失控。

（3）機械碰撞是一種典型的熱失控方式。汽車碰撞事故會造成電池損壞，當電池損壞時，內部短路將導致熱失控，機械損傷通常是瞬間發生的［2-3］。

電動汽車電池的熱失控問題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關鍵因素。首先，動力電池的溫度較低時，電池的可用容量將迅速發生衰減，在過低溫度下（如低于0°C）對電池進行充電，則可能引發瞬間的電壓過充現象，造成內部析鋰并進而引發短路；其次，鋰離子電池的熱失控問題直接影響電池的安全性，生產制造環節的缺陷或使用過程中的不當操作等可能造成電池局部過熱，并進而引起連鎖放熱反應，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴重的事件，威脅到車輛駕乘人員的生命安全；另外，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小，電池內部熱量不易散出，更可能出現內部溫度不均、局部溫升過高等問題。

2 鋰離子電池系統熱失控的預警機理

2.1 鋰離子電池系統熱失控的檢測機理

根據當前的知識，熱失控的原因通常是由機械濫用和電濫用引起的大量的熱量，有限的熱擴散條件引起正負活性物質分解釋放活性氧，進一步導致電解液的氧化分解，產生更多的熱量，最終導致鋰離子電池的熱失控［4］。因此，對鋰離子電池的安全性控制也主要是對其溫度的監測。目前鋰離子電池的溫度監測大多只是對其表面溫度的檢測。但是由于鋰離子電池結構的特點使得其在各個方向上熱傳導系數有很大的不同，傳統的電池表面溫度測量難以真實反映鋰離子電池的內部溫度，在電池組中，表面和內部之間的溫差可能在幾百攝氏度［5］。

2.2 一種新型鋰離子電池系統的內部溫度監控系統

本文介紹一種新型鋰離子電池的內部溫度測試結構，把熱敏元件、正極片和負極片以卷繞的方式一起纏繞，在其上安裝極耳。與現有技術相比，它是將薄膜密封的熱敏元件放置在電池正極和負極的多個不同區域，電池在工作時可以根據熱敏元件所顯示的溫度直接讀取電池內部的電池溫度。該結構簡單可行，測試準確，其原理框圖如圖2所示。本結構是采用了熱敏元件進行電池本身的溫度檢測，與電橋電路結合，將溫度信號反映為電壓信號。采用分壓法由A／D采樣讀取熱敏電阻的端電壓，根據電阻—溫度關系可計算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個電池上，分時將不同電池上的熱敏電阻接到A／D采樣電路上進行溫度采樣，實現單體電池溫度的巡檢。

圖2 鋰離子電池內部溫度測試原理框圖

3 鋰離子電池防火系統設計

想要對鋰離子電池防火進行防火，依靠電池本身是無法做到完全杜絕隱患發生的，車輛在運行過程中由于電池過充、過熱、短路、碰撞等因素以及電池制作過程中的缺陷都可能會導致動力電池熱失控，從而引發安全事故，因此電池系統防火需要為電池箱額外搭載電池箱專用自動滅火裝置，而電池箱專用自動滅火裝置需要具備的技術條件是：第一可以預警，第二可以自動滅火。預警是后續自動滅火動作的前提和基礎，如果預警不能在極早期發現，等到熱失控擴展，電池箱起火，這時滅火的效果就會大打折扣；如果預警發生誤報或漏報，就會導致滅火器誤噴或不啟動，滅火器誤噴就會對電池箱內部造成損壞，影響整車運行和安全；滅火器不啟動就會導致在熱失控關鍵時刻不能有效介入，在初期階段及時滅火，影響整車安全。如圖3所示為一種新型電池箱專用自動滅火裝置，它由電池模組、BITS主動安全系統、BIES被動安全系統、感溫線纜、冷卻系統、滅火系統、控制系統、CAN總線等組成。

圖3 一種新型電池箱專用自動滅火裝置

它的工作原理框圖如圖4所示。

圖4 電池箱專用自動滅火裝置原理框圖

該電池箱專用自動滅火裝置，使用高靈敏度的探測系統，探測電池箱動力電池內短路、過充過放、外短路導致的熱失控所產生的溫度等參數，判斷是否出現熱失控，通過控制系統實現分級預警并聯動啟動滅火裝置。此專用自動滅火裝置可以實現早期火災感知、智能判斷、提前干預并高效滅火。最大程度保護電動汽車和乘客司機的人身安全，為駕駛員及乘客疏散開辟出生命通道。

4 結束語

鋰電池安全性是新能源汽車大規模推廣應用過程中，各方最關注的焦點問題之一。動力電池系統安全事故發生之前，故障可能經歷了長期的演化過程，也可以是突發情況破壞了動力電池系統，并導致安全性事故。在動力電池安全性問題上，最為核心的問題是鋰離子動力電池的熱失控。然而鋰離子電池在過充、短路、過熱、穿刺或碰撞等情況下容易發生熱失控，新能源汽車因電池熱失控引發火災的案例時有發生，在某種程度上來說鋰離子電池的防火安全對新能源汽車發展有著重大影響。因而設計鋰離子電池防火系統意義重大。