關于電動汽車鋰電池熱失控測控與防火技術研究

王寧 萬春雨

摘 要：在電動汽車的應用中，如果鋰電池出現了熱失控情況，便很容易引發爆炸和火災，進而造成嚴重的安全事故。若要有效防止此類情況的發生，確保電動汽車的安全性，就需要通過合理的測控方式對鋰電池進行熱失控測量與控制，使其產熱速度不超過散熱速度。基于此，本文就對其熱失控的測控及其防火技術應用進行分析。希望通過本次的分析，可以為鋰電池熱失控情況的有效避免和電動汽車防火性能的提升提供科學參考。

關鍵詞：電動汽車;鋰電池;熱失控測控;防火技術

前言：隨著近年來節能環保理念的不斷深入，電動汽車行業的發展十分迅速。但是在電動汽車的具體應用過程中，由于鋰電池熱失控問題所導致的火災事故始終沒有足夠科學的應對措施。為實現此類情況的有效避免，在電動汽車的研發設計中，技術人員就需要對其鋰電池熱失控測控技術加以深入研究，并將相應的測控系統設置在電動汽車內，以此來實現鋰電池熱失控及其不良影響的有效控制，盡最大限度降低火災事故的發生幾率，提升電動汽車的防火性能。

一、電動汽車中的鋰電池熱失控與火災發生機理分析

通過現有的相關研究可知，因為鋰電池自身的熱分解點比較低，所以在環境溫度過高、機械撞擊、持續性的大電流沖擊、過充過放、散熱不良等各種外部因素的影響下，如果其產熱速度超過了其散熱速度，鋰電池溫度便會出現持續上升的情況，在溫度達到了某一數值的情況下，鋰電池中的正極材料、SEI膜以及電解液俊輝出現熱分解現象，此時便會有大量的熱量產生，同時也會產生CH4、H2、HF以及CO等的小分子氣體。隨著這些熱量與氣體的迅速積累，鋰電池中的材料分解反應速度也會進一步加快[1]。在這樣的相互強化循環條件下，鋰電池溫度將會加速上升，進而出現熱失控現象。一旦出現了熱失控現象，鋰電池內部的溫度與壓力將會在非常短的時間內達到極限，進而導致鋰電池爆炸事故產生。在發生爆炸之后，鋰電池內部的氣體和電解液便會噴出燃燒，進而引發電動汽車火災事故，造成嚴重的經濟損失甚至人員傷亡。

二、電動汽車鋰電池熱失控測控系統設計與滅火技術應用分析

在對電動汽車中的鋰電池熱失控現象進行測控系統的設計過程中，其主要的目的就是熱失控產生及其散熱能力進行判斷。如果可以在鋰電池剛剛出現熱失控時將散熱裝置啟動，便可在溫度相對較低的情況下進行強力散熱。通過散熱量的加大和散熱時間的延長，便可讓鋰電池熱失控進程得以中止，進而有效避免熱失控所導致的火災事故。以下是對本次所設計的電動汽車鋰電池熱失控測控系統具體設計及其滅火技術的應用所進行的分析：

（一）早期的熱失控判斷

通過相關的熱失控試驗研究發現，鋰電池升溫速度的具體變化趨勢可以將其熱失控進程準確地反映出來。所以在具體的測控系統設計中，可以將鋰電池升溫速度用作熱失控表征的最佳判斷指標。無論是何種原因所引起的熱失控故障，鋰電池溫度都會呈現出迅速上升趨勢。針對這一現象，在測控系統設計中，可對其溫度測控網絡進行科學建設，以此來實現鋰電池熱失控狀態下溫度升高速度變化率的科學計算，并將具體的計算結果作為有效依據，對其熱失控進程進行科學判斷，在鋰電池發生爆炸之前盡可能爭取更多的冷卻時間[2]。下圖是電動汽車鋰電池熱失控測控系統總體結構示意圖：

在電動汽車中，其動力電池是通過若干個鋰電池單體串聯所組成的電池組。因此在其熱失控測控系統中，主要借助于BMS溫度采集單元來進行動力電池的監測和保護。通常情況下，一個BMU電池管理單元可以進行兩個電池組的監測，而一個BMS溫度采集單元中則含有兩個及以上的BMU電池管理單元。具體監測中，主要對鋰電池單體電壓和溫度等參數進行監測。在通過BMS溫度采集單元進行了溫度參數的采集之后，便會將獲取到的數據傳遞給熱失控判斷單元，在接收到了相應的溫度數據之后，判斷單元便會對各個鋰電池單體溫度上升速率進行計算。因為BMS溫度采集技術已經十分成熟，所以該系統具有非常好的可靠性。

具體測控過程中，只要發現有BMU電池管理單元中輸出的溫度上升速度增加，也就是溫度上升速率超過零，系統便可立即作出鋰電池熱失控判斷，并立即將冷卻泵啟動，實現冷卻介質的及時泵送。與此同時，熱失控電池組中的電磁閥也將會被接通，讓冷卻介質大量噴向發生熱失控的電池組，進而達到快速降溫的效果。這樣便可讓電池組熱失控進程得以有效中止，防止鋰電池爆炸事故出現。如果整個電動汽車中的多個鋰電池組都出現了熱失控故障，測控系統便會快速對所有電池組進行降溫處理，以此來有效避免惡性事故的產生。

（二）冷卻介質的合理選擇

如果電動汽車中的鋰電池組出現了熱失控故障，其中便會有巨大的熱量積聚。因此在測控系統冷卻液的選擇過程中，不僅需要使其具備足夠大的流量，同時也應該確保其導熱性足夠好。通過這樣的方式，才可以將鋰電池中的大量熱量快速帶走，使其溫度能夠快速下降，以此來達到良好的熱失控進程中止效果，盡最大限度避免由于鋰電池組熱失控故障所引發的電動汽車火災事故。出于各方面因素的綜合考慮，在本次所研究的鋰電池熱失控測控系統中，將乙二醇用作冷卻介質，這樣便可達到快速冷卻的效果。

（三）滅火劑的合理選擇

如果電動汽車中的鋰電池出現了劇烈的熱失控反應情況，測控系統的冷卻能力無法滿足鋰電池熱失控進程的中止需求，熱失控現象將會繼續發展，并很可能出現鋰電池爆炸和火災等的安全事故。因此，在測控系統的具體設計中，為實現電動汽車安全性的良好保障，不僅需要對冷卻降溫介質進行設置，同時也需要做好滅火裝置的設置。考慮到這一方面的需求，本次設計中，將火焰傳感器設置在了鋰電池安全保護裝置中，在檢測到明火時，滅火裝置便會立即將滅火劑噴出，以此來實現火災的有效控制。

因為鋰電池起火和普通形式的火災不同，所以其滅火研究依然屬于一項新的內容。如果鋰電池產生的熱失效故障進程沒有得到及時終止，且滅火措施實施之后鋰電池組依然具有很高溫度，其中的電解液和可燃性氣體依然從中不斷噴出，此時不可將冷卻液停止噴射，否則便會出現鋰電池復燃情況，造成二次災害。經研究發現，ABC干粉、二氧化碳以及水成膜泡沫形式的滅火劑在隔離、化學抑制、部分冷卻以及窒息等處理之后便可將鋰電池產生的明火熄滅，但是細水霧卻無法達到良好的滅火效果。這是因為細水霧滴具有很小的直徑，在氧氣與熱失控釋放的熱量和可燃性氣體條件下，霧滴就會迅速變為熱的蒸汽，而其冷卻和滅火作用都會大幅度降低[3]。就二次復燃阻止能力來看，水成膜泡沫形式的滅火劑具有較好的應用性能，經對比分析發現，相比較其他滅火劑而言，這種滅火劑在滅火之后到復燃之前的間隔時間最長。所以在本次的測控系統設計中，出于安全方面的考慮，將水成膜泡沫形式的滅火劑選作該系統的滅火劑。