鋰電池熱失控預警機制設計

邵慶 喻攀 黃歡 胡志祥 李驍 王晨鳴

摘要：鋰離子動力電池是我國新能源汽車宏觀發展戰略的關鍵部件，其安全性問題如熱失控等至今依然是鋰電池產品化、產業化發展過程中的關鍵技術瓶頸。本文針對三元鋰電池包，以過充試驗這種電池濫用形式對熱失控現象進行探討，預測鋰離子動力電池發生熱失控的趨勢和時間，并結合試驗現象，設計熱失控過程的預警機制，然后基于ABB AC 800M設計一套預警控制系統，并通過半實物仿真平臺進行模擬試驗，驗證了預警機制的有效性。該預警機制通過給駕駛人員提供熱失控預警信息，保證了危險狀況下乘客的逃生時間，為電動汽車的安全運行提供保障。

Abstract： Lithium-ion power battery is the key component of the macro-development strategy of new energy vehicles in China， and its safety problems such as thermal runaway are still the key technical bottleneck in the process of lithium-ion battery production and industrialization. In this paper， the thermal runaway phenomenon of ternary lithium battery pack is discussed in the form of overcharge test. The trend and time of thermal runaway of lithium ion power battery are predicted. Combining with the experimental phenomena， the early warning mechanism of thermal runaway process is designed. Then a set of early warning control system is designed based on ABB AC 800M， and half of the system is passed. The effectiveness of the early warning mechanism is verified by the simulation test on the physical simulation platform. By providing drivers with early warning information of thermal runaway， the early warning mechanism ensures passengers'escape time under dangerous conditions and provides security for the safe operation of electric vehicles.

關鍵詞：鋰電池;熱失控;預警機制;半實物仿真

Key words： lithium battery;thermal runaway;early warning mechanism;hardware-in-the-loop simulation

0? 引言

鋰離子動力電池作為新能源汽車的關鍵組成部件，其儲能問題是限制新能源汽車發展的主要障礙，決定著新能源汽車的安全穩定發展。如何對鋰離子電池的運行狀態進行監控，判斷鋰離子電池包是否發生熱擴散的嚴重危害性事件，保障新能源汽車的安全運行，是目前鋰離子動力電池安全管理系統的主要研究目標。

1? 鋰電池熱失控概念

鋰離子動力電池的熱擴散反應是指電池在使用過程中，由于產熱量嚴重超過散熱量，而導致電池溫度急劇升高，最終引起電池失效的一種形式。

2? 熱失控機理及過充狀態下失控過程分析

2.1 熱失控機理

熱失控主要是由于電池內部溫度上升，SEI膜的分解速率超過形成速率，使得內部自反應速度增大，加快電池內部熱量積累，最終電池正極、負極及電解液發生連鎖反應，從而導致電池內部溫度急劇上升，引發熱失控。因此，判斷熱失控的溫度臨界點和預測熱失控發生時間，是監控熱失控的主要方式。

2.2 過充狀態下熱失控過程分析

根據電池包實際使用情況，選取電流2.0C對電池包進行過充試驗，結果如圖1所示。

由圖1可知，當經過半小時2.0C充電后，電池達到滿電狀態，進入過充階段。電池在達到F點80℃后，溫度會接著電池溫度變化率會明顯加快，并最終達到最高溫度G點561℃。這是因為電池先正常充電，當電池電量達到100%之后進入過充階段，鋰離子被還原成金屬鋰。在80℃后，金屬鋰會急劇增加，再堆積成鋰枝晶，鋰枝晶在過充過程中會不斷成長并生出很多枝梢，一定規模后便會刺破隔膜致使電池內部發生短路現象，瞬時放出大量熱量，產生大量氣體，導致電池熱失控。因此，可以將F點最為電池包熱失控的拐點，認為電池包在80℃后，內部開始出現短路現象，反應性質發生變化，導致熱失控進入不可逆階段。

3? 預警機制設計

根據鋰電池熱失控機理及實際試驗經驗，分析熱失控發生的反應條件，設計熱失控預警機制，基于ABB AC800M搭建熱失控預警系統，并通過Matlab Simulink搭建仿真模型，驗證預警系統的有效性。

3.1 預警方式分析

通過分析鋰電池熱失控反應機理，可以將80℃作為熱失控的標志性信號，在預警系統檢測到電池包內部電芯溫度達到80℃后，立即啟動電池包熱失控預警系統，并根據采集到的溫度值和變化速率計算電池即將要發生熱失控反應的時間。具體控制流程圖如圖2所示。

3.2 預警系統設計

根據熱失控預警機制，基于ABB AC800M型號的PLC設計出一套熱失控控制系統，通過監控設備和熱電偶等傳感器設備，將控制信號傳遞至PLC中，PLC進行信號處理后，判斷是否發生熱失控，并根據采集信號的編號速率計算熱控制發生時間，然后將預警信號傳遞至上位警報系統，提醒司機及乘客進行安全撤離，保障人身財產安全。

熱失控控制系統結構及熱失控預警控制程序如圖3和圖4所示。

3.3 預警系統驗證

由于鋰電池的熱失控試驗具有一定危險性，且鋰電池包直接試驗成本較高，本文基于Matlab Simulink搭建鋰電池包仿真模型，通過OPC通訊，搭建半實物仿真平臺，進行熱失控仿真試驗，驗證預警機制的有效性。

3.3.1 電池熱失控模型

通過分析鋰電池結構和熱擴散反應機理，可將鋰電池包分解為多個電池單體的結合體進行分析。而鋰電池包熱失控發生階段，通常是由于內部某一電芯單體發生異常反應，進而逐漸影響臨近電芯單體，并最終擴散至整個電池包。 因此在搭建數學模型時，應先將電池包簡化為一個失控電芯、三個正常電芯、BMS與冷卻系統四個模塊，然后使用機理建模與外特性曲線相結合的方式，基于Matlab Simulink建立復合數學模型。

鋰電池包模型以輸入電流和外部溫度作為輸入量，并添加PLC通訊單位代替BMS進行聯合控制，然后通過OPC通訊，將各單體的電流、電壓及溫度等數據傳遞至BMS管理系統，建立半實物仿真模型，實現電池包模型的實時監控，對預警系統進行驗證，具體模型如圖5所示。

3.3.2 電池熱失控預警系統仿真驗證

根據鋰電池包仿真模型和PLC搭建半實物仿真平臺，并選取過充方式進行鋰電池熱失控仿真實驗，驗證預警機制的有效性。

試驗過程中，通過模擬過充工況，實現鋰電池包熱失控現象仿真，并根據試驗過程中采集的電池失控單體的溫度和上位儀表盤顯示時間，得出模擬試驗數據，繪制溫度-失控時間曲線，如圖6所示。

通過圖6可以看出，在80℃時，上位界面開始輸出報警信號，并顯示熱失控預警時間，隨著檢測到的溫度不斷上升，上位界面輸出的熱失控預警時間不斷減少，并在溫度到達300℃時，判斷出鋰電池進入溫度驟變區，即將發生熱失控。試驗證明預警系統可以根據采集到的電池包內部單體電芯的溫度變化，向司機實時反映電池包實際運行情況，并及時輸出報警信號，為乘員提供足夠的逃生時間，保障乘員的生命安全。

4? 總結

本文通過分析鋰電池熱失控概念，深入分析了鋰電池熱失控機理，并結合鋰電池熱失控實際案例，設計出鋰電池預警機制，并基于ABB AC800M搭建出一套鋰電池控制系統;基于Matlab搭建了鋰離子電池包熱失控仿真模型，利用OPC通訊搭建半實物仿真平臺，并選取過充方式進行仿真驗證，結果表明預警系統可以根據探測電池包內部單體溫度變化，及時為駕駛員提供報警信息，保證了危險狀況下乘客的逃生時間，為電動汽車安全運行提供了保障。

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