新能源汽車動力電池熱失控研究分析

鮑曉東，張仙妮，劉國強

（1.北京工業職業技術學院機電工程學院，北京 100042；2.北京汽車藍谷營銷服務有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著新能源汽車行業的高速發展，新能源汽車保有量越來越大。我國新能源汽車市場競爭力明顯提高，我國新能源汽車在三電領域都取得了關鍵性的技術優勢，新能源純電動車平均電耗降至11.0kWh/100km。新能源汽車的保有量增大降低了對環境的污染，但是汽車火災的頻頻發生也對人們的人身生命安全帶來了嚴重威脅?；馂氖鹿蕦οM者購買新能源汽車的信心造成了極大的信心，阻礙了電動汽車產業的發展。雖然新能源汽車電池故障率能夠降低到1/10，000，000，但是電池組熱失火的事故仍層出不窮。新能源汽車電池安全隱患誘因主要是電池內短路、化學、物理、機械等因素造成的。

1 故障背景及問題描述

新能源汽車熱失控的原因是BMS熱管理失控，新能源汽車電池在充放電時，電池內部會發生電化學反應產生熱量，由于產生的熱在電池內部聚集，熱量沒有能夠迅速排出，功率會逐漸降低，甚至存在發生爆炸的風險。

2 失火原因分析

2.1 熱量散熱失控

在高溫環境下，因為鋰離子電池自身的結構特征，SEI膜、電解液等會發生化學反應，正極、負極會和電解液的分解物發生化學反應，會使電芯隔膜分解融化，多種化學反應會產生大量的熱量。大量的熱會使隔膜融化最終使內部短路，電能量和熱量會相互促進產生大量的熱。這種負面作用會使電芯防爆膜破裂，噴出電解液，使汽車起火燃燒。新能源汽車電池的熱誘因主要是外部環境溫度高引起外部起火，造成電池散熱不暢等。

2.1.1 溫度（外部環境）

電池升溫受許多因素影響，外在因素有外部環境溫度和電池自身散熱方式；內因也有充放電倍率、內阻、放電深度DOD、SOC和容量等。 如果外部環境溫度高，會使電池散熱系統效率低下，散熱效果變差。對于大容量純電動汽車風冷系統已經不能適應散熱的要求。

2.1.2 散熱方式

熱失控預防一般使用風冷和液冷相互融合的散熱方式，如果效果不好會影響散熱。

2.1.3 充放電倍率

充放電倍率變高，電流會變大，內阻增大，熱量越多。高倍率充電的時候，電池產生熱的速度加快，那么散熱系統的熱量如果沒有及時排出，將會積累增多。

2.1.4 內阻

越是大的內阻，充電的效率越低，會產生更多的熱量堆積。在SOC小于20%的情況，內阻會增大，這時候應該是電池輸出功率降低，電池安全得到保護。

2.1.5 容量

越是大容量電池，會有很多的電化學反應，熱量越多，散熱功率就需要很大，如果散熱不能滿足，產生的熱會越積越多。

新能源汽車熱失控具有復雜的反應，SEI膜的分解會使電池的熱量累積，會使隔膜分解和熔斷，因此正負極和電解液電解液會產生放熱等反應。在反應過程中的任何步驟改善都能使熱穩定性和電池安全性提高。改造SEI膜界面，初始放熱溫度提高；選用具有高的熔斷溫度和低的內阻陶瓷隔膜；相變材料散熱散熱方式。這些技術都能增加電池熱穩定性，給新能源汽車的未來保駕護航。

根據這種情況，電池廠家需要從兩個方面來解決問題：電池設計和BMS電池管理系統。在電池設計方面，可以開發材的料來是防止熱失控的，熱失控的反應能夠受到阻斷；在電池管理系統方面，需要預測溫度范圍，定義不同的安全等級，需要進行分級報警。

乘用電動汽車的動力電池都具有熱管理系統，同時采用風冷或者水冷方案為電池系統進行冷卻。對車主而言，在汽車駕駛習慣上消除熱誘因，可以避免陽光直射照射車輛、易燃物不要放置在車內等，同時車內常備車載滅火器，消除著火因素。還要經常電池溫度信息在關注儀表板或中控屏上數值，新能源汽車電池單體的工作溫度在40℃～50℃之間，電池不在這個溫度范圍都是對壽命影響的。

2.2 電化學因素

由于在制造環節可能含有雜質、金屬顆粒、電池充放電膨脹和收縮、析鋰有可能造成電池內部短路。這種內部短路的發生是非常緩慢，時間很長，而且其出現熱失控不知道什么時候會爆發。如果進行實驗，重復驗證無法進行。全球新能源專家還沒有找到相關證據，證明其電池內部短路的確切證據。

首先要提升生產制造水平，降低制造電池環節中的雜質。這個問題要解決，電池廠商就需要選擇其產品品質優良的，同時安全預測內短路情況，需要在電池發生熱失控之前，找到有內短路發生可能的單體。特征參數是需要確定的，需要從一致性開始。如果電池有差異的，內部阻值也是有差異的，只需要找到中間有差異的單體，就可以性能變差的電池單體找出來。發生了微短路的等效電路和良好的一個電池的等效電路，在方程的形式實際上是一樣的，只是微短路的單體、正常單體的參數發生了改變。需要對這些參數來進行對比研究，研究其在內部短路一些特征參數變化。

新能源電池負極上如果嵌入大量鋰離子是在滿電狀態的，過充后，析鋰現象就會在負極片上產生，針狀的鋰金屬結晶就會出現，隔膜會被刺穿而引發短路。BMS電池管理系統都會對電池過充有保護策略技術，在管理系統檢測到電池電壓達到閾值時侯，充電回路就會關斷，電池就會被保護。在出廠之前，汽車廠商對BMS都會進行多項電性能測試，為了防止發生意外火災，不能對電動汽車進行過充電，充電過程中選用正規的充電設備，消除過充隱患。

2.3 機械電氣因素

汽車發生碰撞事故會引起電池受到損傷。碰撞是機械觸發熱失控的一種非常典型的方式，電池受碰撞損失的時會引發內部內短路造成電池熱失控，此種類型的短路與電化學誘因引發的短路是不相同的，瞬間突然發生的機械損傷事故，會引起車輛的碰撞、側翻，擠壓等都會引起電池在端時間內發生機械損壞。

在維修方面可以使電池側面夾上鐵板并用螺栓緊固（鐵板要夾在電池極板平面對應的電池側面），在溫度升高的情況下電池槽不發生膨脹，電池內部的氧氣通道不會隨著溫度提高變大，會使電池的氧復合反應不會發展很迅速。隨著電池溫度增加，電池的散熱速度也會加快，最終電池散熱速度與電池生熱速度相互平衡，從而阻止了電池熱失控[1]。

在設計方面電解決碰撞引起的熱失控的最好辦法池的結構安全性保護設計。設計裝配式結構：支撐框架和鋼帶預緊的組裝結構以及高強度骨架；可靠性設計：利用電池包隔振裝置、彈性浮動和防塵設計減少磨損振動；防碰撞池模組輕量化設計，CAE結構優化使電池殼強度滿足要求；電池包自鎖緊技術，利用自鎖對電池包進行精確鎖緊。

新能源汽車電池應該符合安全性能的需求，安全試驗要滿足熱測試（高溫、熱穩定、無熱管理循環、熱沖擊循環、被動傳播電阻），電性測試（短路、過充電和過放電）和機械性測試（沖擊、掉落、穿刺、翻滾、浸入、壓碎）的安全要求。但是，新能源汽車電池還有很多安全技術需要突破，還需要新能源汽車行業從業人員持續不斷的進行研發[2]。

3 熱失控后處理措施

在電池熱失控報警出現后，電池管理系統會連接汽車CAN系統，當管理系統根據單體電壓和溫度判斷出電池系統熱失控后將便向CAN系統周期性地發送告警，此時電池處于熱失控狀態置。如果新能源汽車在充電狀態，電池管理系統退出充電流程并立即斷開充電；如果車輛在行車或上高壓完成狀態，電池管理系統將放電和回饋充電的功率限制為0，請求整車執行下高壓指令，電機控制器將在短時間內線性降功為0，IGBT關閉，主驅放電接觸器被斷開[3]。新能源車接收到熱失控的報警后，會采取應急措施。新能源汽車滅火系統通常會根據火災事故中的溫度、煙霧、CO及CO2氣體含量等進行火災的預測，如感煙式火災探測法、CO氣體探測法等。此種方法較簡單，但容易漏報和存在火災檢測延遲。圖像識別和紅外技術火焰報警系統的精度也不高。新能源汽車鋰電池的每種檢測方法都不那么完美，在特定情況下可能具有較高的探測精度，但是對于以傳感器檢測信號為輸入信號的電動汽車火災探測系統是完美的解決方案[3]。

基于多傳感器數火災報警系統，通過多傳感器采集電動汽車動力鋰電 池火災初期的特征變量，經分析處理后，通過執行單元輸出結果。系統硬件主要由數據采集單元、電源單元、主控制器、存儲單元、執行單元等組成[4]，系統見圖1。

圖1 新能源汽車滅火系統

方案設計了基于傳感器采集預警信息的新能源汽車電池火災探測系統，以環境溫度、氣體濃度、CO濃度、煙霧濃度等做為輸入信號的系統，采用多數據融合算法應用于多傳感器數據融合，可以有效解決單一傳感器不確定性高的問題；通過對多個傳感器采集的數據融合，新能源電動汽車動力鋰電池火災預測變得準確高效率，提高系統的可靠性[5]。

4 新能源汽車電池使用與維修

4.1 新能源汽車電池的個工作條件

工作環境溫度：-30℃～55℃，存儲環境溫度：-40℃～55℃，最佳充放電溫度：25℃～45℃，每日累計充電電量，盡量不超過額定總電量的1.5倍。

電量保持在約50%，如存放時間超過3個月，推薦對電池包每個月一次性能檢測及采用慢充方式進行充放電。由于充電時電芯溫度影響充電安全或充電效率，在夏季高溫天氣充電時，需要車輛靜止一段時間后，待電芯溫度降低后再進行充電；在冬季低溫天氣充電時，為了避免電芯溫度下降影響充電效率，可以車輛停車后立即插充電槍充電。電池、模組儲存環境保持清潔，干燥，陰涼，避免與腐蝕性物體或氣體接觸。儲存溫度在20℃～35℃之間，相對濕度≤75%（無水凝結）。電量保持在約50%，如存放時間超過3個月，推薦對電池包每個月一次性能檢測及采用慢充方式進行充放電。正負極柱需用絕緣保護件或其他絕緣材料做絕緣，確保無金屬裸露。標識清晰，遠離火源及熱源并做好絕緣。做好防水、防潮、防雨淋防日曬措施。搬運電池前請檢查電箱或模組的絕緣性，用萬用表測量總正、總負對電池外殼的絕緣電壓。搬運時電池包輕抬輕放，正面朝上，電池需放好碼緊，不可倒放或斜放。需用專用運載工具搬運，嚴禁徒手搬移、拖運，破壞電池外觀[6]。

4.2 新能源電池充電

必須使用符合國家標準的充電機。充電時請使用“自動充電”功能，嚴禁使用“手動充電”功能，嚴禁帶載拔槍。禁止在沒有安裝合理的充電保護裝置（鋰離子電池保護線路板、電池管理系統等）或使用非廠家認可的充電設備的情況下對電池進行充電，此操作可能導致人身傷害或財產損失；禁止將不同系列電池產品或電池配件與其他型號或類型的電池進行串并聯或使用，此操作可能導致人身傷害或財產損失；嚴禁人為擠壓、穿刺或燃燒電池系統行為；維修拆卸高壓元器件，需將裸露的金屬接口用絕緣材料封住，以免發生短接致使電池包短路或人員觸電，而搭接在元器件上面的線束或連接件，需要用絕緣材料及時包裹好。拆卸高壓元件，拆下的螺絲用絕緣鉗子或佩戴絕緣手套小心取出，禁止用手和磁性螺絲刀直接取出螺絲，螺絲一旦掉落到導電部位，可能會造成正負極短接，甚至起火、觸電。

4.3 維修作業

維修作業時禁止腳踩踏電池模組或在模組上放各種維修工具、設備。不合理的使用或操作可能導致電池冒煙起火.如果電池冒煙起火，可使用二氧化碳或者干粉滅火器噴射并用沙土掩埋，或可在遠距離使用高壓水槍滅火。維修時若發現電池模組鼓脹、漏液情況，需立即停止維修（立即車、電分離），同時聯系4S售后服務人員以獲得處理方法；電池維修時只能拆卸到模組單元，模組內部結構禁止拆卸。在搬運過程中應防止劇烈振動、沖擊、擠壓。運輸中應保護高低壓電氣接口，防止碰撞、跌落。嚴禁任何時候用雙手，同時觸摸電池箱體的正負極柱。在操作和維護電池系統時需穿戴絕緣手套，嚴禁佩戴手表等金屬飾品。嚴禁人為對電池進行擠壓、刺穿、燃燒等破壞電池系統的行為。在清洗車輛時，應避開高壓元器件，避免與水接觸后產生不良后果。電池系統的工作環境應無腐蝕性、爆炸性和破壞絕緣的氣體或導電塵埃，并遠離熱源[7]。

5 結論

新能源汽車電池應該符合安全性能的需求，安全試驗要滿足熱測試(高溫、熱穩定、無熱管理循環、熱沖擊循環、被動傳播電阻)，電性測試(短路、過充電和過放電)和機械性測試(沖擊、掉落、穿刺、翻滾、浸入、壓碎)的安全要求。但是，新能源汽車電池還有很多安全技術需要突破，還需要新能源汽車行業從業人員持續不斷的進行研發。