動力電池熱失控對新能源汽車的危害

游煜城 張潤樾 黃澤平 胡 鵬

(廣東財貿職業學院，廣東 廣州510445）

目前，隨著不可再生資源日益枯竭，節源環保意識提升。新能源汽車受到民眾的青睞，其中，動力鋰電池組憑借其比其他電池組有著更優秀的性能成為各大汽車廠商首選的新能源汽車動力源。然而根據2019 年統計的新能源汽車自然數據中，與動力電池安全相關的新能源汽車安全事故達40 余起，而由于電池熱失控引起的動力電池安全事故為主要原因之一。另外新能源汽車在行駛途中面對復雜路況時其動力電池組勢必處于負載情況下會因電池內阻產生大量的熱能，導致鋰電池的電解液氣化，從而導致熱失控現象發生。因此需要設計一種電池組可動態調節電池的溫度的狀態，避免高溫電池電解液氣化和低溫鋰電池性能下降。

本論文是基于智能鋰離子動力電池組專利來闡述電池安全問題的思路，減少因電池問題產生的自然事故。專利基本內容：在電池組內水平橫置結構的放置兩到三個鋰電池，內置溫度傳感器和在電池組前端放置紅外溫度傳感器監測電池外表溫度，通過冷卻管中冷卻液的流速保持電池溫度相對恒定。

1 動力電池安全問題

1.1 因電池產生安全事故事件統計

新能源汽車是目前國內汽車工業發展的風口，在2020 年全國兩會《政府工作報告》中提出了重點支持“兩新一重”的建設，報告支持：加強新型基礎設施建設，發展新一代信息網絡，拓展5G 應用，建設數據中心，增加充電樁、換電站等設施，推廣新能源汽車，激發新消費需求、助力產業升級。目前，新能源汽車動力電池普遍采用鋰離子電池作為儲能元件，鋰離子電池優勢在于比能量高、循環壽命長，但存在較為嚴重的安全隱患。在面對汽車行駛途中的復雜工況時，電池的安全性是目前新能源汽車的一個挑戰，當車輛行駛或者充電途中不能及時有效的控制電池的溫度則容易發生熱失控的現象。

表1 是2016 年-2020 年上半年的因電池故障導致新能源汽車自燃的事故件數（數據來源于互聯網，數據經過篩選只統計因電池事故起火的案例，因數據收集不全實際新能源汽車起火事件數量比統計數量多），從表一中可得新能源汽車在充電或者行駛途中因電池熱失控自燃的案例在逐年遞增，還可以發現這些自燃的純電車中汽車品牌也有增加，說明現在的新能源汽車制造商都在面臨電池安全的挑戰。

1.2 自燃原因分析

上述因動力電池導致新能源汽車自燃事件統計分析可得，新能源汽車自燃事故具有易觸發、不易發現、多誘因的特點。上述統計的數據都是因為動力電池問題引發的自燃，電池安全涉及到自身材料、制造工藝、電氣、熱力學等多個方面問題，而新能源汽車面對復雜的工況環境對電池的安全要求更為苛刻。汽車行駛途中和充電途中，電池都處于一個持續放電或充電狀態隨著電池老化，各個電池之間的一致性會越來越差，這時電池過充或者過放就會更容易發生熱失控情況。如圖1，當電池長期工作時，電池內阻變大而產生大量的熱能溫度升高到90～120℃之間時SEI 膜開始分解，釋放熱量，溫度升高。但是當溫度達到120～130℃時保護層SEI 膜遭到破壞，負極與溶劑、粘結劑反應，溫度升高，隔膜融化關閉。溫度繼續升高至150℃之上后，內部電解質開始進行分解，繼續釋放熱量，進一步加熱電池，電池溫度達到200℃之上時，正極材料分解，釋放出大量熱和氣體，持續升溫。250-350℃嵌鋰態負極開始與電解液發生反應。在反應發生過程中，電解液與正極反應產生的氧氣劇烈反應并進一步使電池發生熱失控。

圖1 動力電池熱失控機理

2 電池安全問題現狀

2.1 熱失控誘因

為了解決電池安全問題，一方面需要利用車載BMS 系統對電池狀態進行監督，保持單體電池之間的一致性；及早發現單體電池存在的問題。另一方面需要對誘發電池熱失控的故障案例進行分析，從電池著手建立有效的診斷方案和預警機制來提高電池的安全性。熱失控誘因分為三大類：機械誘因、電誘因、熱誘因；機械誘因細分兩類：擠壓和刺穿；電誘因細分兩類：內短路和過充點；熱誘因：高溫過熱。當熱失控發生后會波及其他安全的單體電池也就是熱失控擴展。

2.2 電池設計缺陷

電池安全涉及到自身材料、制造工藝、電氣、熱力學等多個方面問題，所以電池的合理設計可以減少熱失控的誘因，目前存在的缺陷：a.電池裝配的工藝不高，導致制造過程中存在一定的公差。由于新能源電池散熱風扇在制造安裝過程中容易因為尺寸要求不規范導致安裝后風扇外傳子偏離出現風扇振動的情況，長期行駛途中電池組的電纜就存在因為風扇的振動導致電纜接頭松動，接觸電阻產熱，引起電池溫度升高導致熱失控的風險。b.電池組的封裝工藝不夠緊密，電池艙密封性弱，汽車長期行駛途中不可避免的會遇見下雨天和路況較差的情況，當電池艙密封性弱時會有泥水滲入艙內，存在短路的現象；并且有可能滲入的泥水夾雜這顆粒物，電池封裝不夠緊密時電池振動有可能導致電池單體被刺穿。

表1 2018 年-2020 年上半年電動汽車自燃事件統計表

3 電池安全問題對策

新能源汽車在行駛途中面對復雜路況時其動力電池組勢必處于負載情況下，造成鋰電池發熱嚴重而導致電路短路也是電池熱失控安全事故的主要原因。因此，如何提高動力鋰電池的散熱性和安全性成為新能源汽車行業急需解決的技術問題。為了解決上述的電池安全問題的現狀，減少電池熱失控現象的發生，講解自己對電池安全問題解決的思路。

3.1 電池安全問題解決思路

傳統的電池組制造工藝相對簡陋，電池單體缺 乏傳感器監控；因此可以設計一種智能鋰離子動力電池組，具體設計思路是：電池組外殼采用鋁合金材料，在鋁合金外殼側邊開口，方便電池包和傳感器封裝；在外殼內水平設計左右結構的電池槽位，將鋰電池包安裝與電池槽位并放置耐高溫墊圈，減少車輛行駛時振動對電池的影響；在相鄰電池之間設置冷卻管，冷卻管連通電池組前后端以便于冷卻液循環，并設置水泵連接BMS 系統采用溫控的方法控制冷卻液的流速；在外殼前端嵌入式處理器收集電池單體的電池數據如：溫度、電壓等，在外殼上設計與設備連接的動力電池組的正、負電極和嵌入式處理器的CAN 線路接口。

3.2 設計思路優勢

通過前文可以了解到新能源汽車的自熱起因大多數都是由于動力電池組的熱失控導致的，而熱失控誘因歸咎于電池的設計，組裝，監控不重視，例如：外力導致電池組被刺穿、充電時BMS 失效導致電池過充、行駛時汽車的振動導致接口松動電阻變大，等等。因此設計思路就從上訴問題著手，將電池組外殼材質換成鋁合金外殼，增加外殼強減少電池組因外力導致變形。更換散熱方式采用冷卻液循環方式，避免傳統風扇散熱的缺點：散熱不均勻還受安裝工藝影響風扇運作時產生振動。更全面的監控方式：在單體電池里增加溫度和電壓傳感器，在電池組內部安裝熱能感應器，當電池電壓下降和溫度上升時可以及時告知車主有效預防熱失控對人身健康威脅。

4 結論

對近幾年因動力電池故障導致汽車自燃事件進行統計，分析起火原因，討論了電池熱失控的誘因，得出動力電池現有的缺陷，動力電池組技術水平直接影響新能源汽車的未來發展，本文結合新能源汽車電池技術問題和設計的實用新型專利為新能源汽車智能鋰離子動力電池組，對電池安全的探討給車企未來對電池安全的思考提出了建設意見。