高安全動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)研究★

凌陽(yáng)陽(yáng)， 韋映竹， 李 彬， 黃祖朋， 邵 杰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心， 廣西 柳州 545007）

引言

電動(dòng)汽車因其使用成本低、通行便利、場(chǎng)景多樣化等優(yōu)勢(shì)贏得眾多消費(fèi)者的青睞，市場(chǎng)占有率不斷提高，產(chǎn)業(yè)化不斷加深。然而，即便目前電動(dòng)汽車的各項(xiàng)技術(shù)逐漸成熟，但是動(dòng)力電池的安全性仍然是電動(dòng)汽車行業(yè)持續(xù)且無(wú)法回避的問(wèn)題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年至2020 年8 月電動(dòng)汽車火災(zāi)事故達(dá)135 起，事故原因大致為充電過(guò)程起火、碰撞起火、擱置起火、自燃、零部件老化等[1-2]。動(dòng)力電池安全問(wèn)題突出，對(duì)于電池廠、主機(jī)廠都是亟待解決的問(wèn)題。

1 動(dòng)力電池?zé)崾Э?/h2>

熱失控是由于電池材料的熱分解而產(chǎn)生的。由于熱失控會(huì)散發(fā)出大量的熱量和氣體，從而引起電池著火和爆炸[3]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)電池的溫度達(dá)到一定程度，就會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，表現(xiàn)為溫度急劇上升，溫度最高可達(dá)上千攝氏度，造成熱蔓延，進(jìn)而演變?yōu)闊崾Э亍⑵鸹稹ｋ姵責(zé)崾Э匾坏┌l(fā)生，對(duì)車輛用戶的財(cái)產(chǎn)以及生命安全都是較大的威脅，因此2020 年汽標(biāo)委修訂的GB 38031—2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》要求電池包或系統(tǒng)在由于單個(gè)電池?zé)崾Э匾馃釘U(kuò)散、進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險(xiǎn)之前5 min，應(yīng)提供一個(gè)熱事件報(bào)警信號(hào)。

2 動(dòng)力電池?zé)崾Э卣T因

2.1 機(jī)械濫用

機(jī)械誘因有碰撞、擠壓、針刺等，這些都會(huì)給電池形狀或者本體帶來(lái)?yè)p壞。實(shí)際使用過(guò)程中，車輛碰撞后動(dòng)力電池失效的案例極少，但是對(duì)于一些動(dòng)力電池布置在底盤(pán)且缺少動(dòng)力電池保護(hù)板的車輛來(lái)說(shuō)，如圖1 和圖2 所示，底部磕碰、尖物刺穿導(dǎo)致動(dòng)力電池組進(jìn)水、絕緣失效等引起動(dòng)力電池失效的概率較大。

2.2 電濫用

電誘因有電池內(nèi)短路、過(guò)充電、過(guò)放電等。隨著動(dòng)力電池相關(guān)技術(shù)逐漸成熟，目前一個(gè)功能正常的電池管理系統(tǒng)在大多數(shù)情況下都能夠?qū)崿F(xiàn)有效的充放電管理，避免電池功率濫用帶來(lái)的不可逆影響甚至熱失控。同時(shí)，為了預(yù)防電池過(guò)充，目前市場(chǎng)上的大部分快充樁已經(jīng)配置了SOC 達(dá)到限制值終止充電的功能。

2.3 熱誘因

熱誘因主要指電池過(guò)溫、熱量累積，導(dǎo)致電池出現(xiàn)熱失控。整個(gè)電池的熱失控，必然會(huì)伴隨熱誘因，所以機(jī)械濫用、電濫用和熱誘因三者互相關(guān)聯(lián)[4]。

2.4 電芯自身質(zhì)量問(wèn)題

電芯自身質(zhì)量問(wèn)題，如下頁(yè)圖3 所示，制造過(guò)程中混入金屬雜質(zhì)、極片毛刺、隔膜粉塵、電解液不均等，在電池后續(xù)使用的過(guò)程中有可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部短路，由單個(gè)電芯失效導(dǎo)致整包的熱失控。2020 年10月28 日，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局官網(wǎng)顯示，某車企向市場(chǎng)召回部分電動(dòng)汽車，原因?yàn)殡娦竟?yīng)商在生產(chǎn)過(guò)程中混入了雜質(zhì)，導(dǎo)致動(dòng)力電池產(chǎn)生異常析鋰。

3 熱失控抑制技術(shù)

通過(guò)剖析電池包熱失控的原因，從設(shè)計(jì)端盡可能做到有效預(yù)防熱失控以及控制熱失控。

3.1 電芯設(shè)計(jì)

鋰離子電池主要由正負(fù)極、隔膜、電解液等組成。電池內(nèi)短路指的就是正負(fù)極直接連接，形成放電回路，在電芯制造的過(guò)程中，需要嚴(yán)格管控極片毛刺、粉塵、金屬異物等，嚴(yán)格的生產(chǎn)管控可以有效避免因內(nèi)短路引起的熱失控。隔膜的安全性和熱穩(wěn)定性是由隔膜本身的性質(zhì)決定的，主要取決于其折斷溫度和破裂溫度兩個(gè)值，需要綜合該兩個(gè)值選擇合適的隔膜材料，避免溫度過(guò)高，隔膜收縮，造成短路。電解液方面，可以通過(guò)添加電解液添加劑如單甲氧基苯類，單甲氧基苯類，磷酸三甲酯，烷基磷酸鹽等，改善SEI 膜性能，保護(hù)正極活性物質(zhì)，提高過(guò)充安全性以及增強(qiáng)阻燃性等[5]。

3.2 模組設(shè)計(jì)

模組是由多個(gè)電芯串并連接形成的一個(gè)模塊。電芯需要工作在適宜的溫度，這就要求模組在熱量傳導(dǎo)方面，既要具備良好的熱傳導(dǎo)面，又要滿足隔熱的要求。如圖4 所示，通過(guò)在電芯之間增加隔熱材料，如氣凝膠、防火泡棉、云母片等，形成一堵防火墻，降低失效電芯與相鄰電芯的熱傳導(dǎo)效率，減小相鄰電芯次第失效風(fēng)險(xiǎn)，有效抑制熱失控的發(fā)生。

3.3 PACK 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在PACK 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，殼體、支撐件、連接附件的機(jī)械強(qiáng)度足夠，可以避免機(jī)械形變帶來(lái)的安全問(wèn)題；采用均勻分布的結(jié)構(gòu)通道，通過(guò)泄壓閥設(shè)計(jì)，讓熱量分?jǐn)偛㈨樌懦觯梢员苊鉄崃坷鄯e出現(xiàn)起火甚至爆炸[6]；增加冷卻噴淋系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)單只電芯失控時(shí)，迅速開(kāi)啟噴淋系統(tǒng)降溫，也可起到延緩電池起火的時(shí)間[7]。此外，Pack 的防護(hù)性能要求達(dá)到IP67，從而避免因進(jìn)水進(jìn)塵導(dǎo)致短路而出現(xiàn)熱失控。

3.4 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全策略是一種主動(dòng)的安全手段。主要作用是提前預(yù)警和主動(dòng)檢測(cè)保護(hù)。提前預(yù)警分為車端提前預(yù)警熱失控和大數(shù)據(jù)提前預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)電池。車端提前預(yù)警主要是通過(guò)BMS 持續(xù)檢測(cè)電池的單體電壓、溫度、氣體濃度、壓力等的變化，判斷電池包出現(xiàn)熱失控的可能性，并提前在車端提示用戶。大數(shù)據(jù)預(yù)警指的是利用車輛一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析電池的健康情況，包括是否存在突然的內(nèi)阻增大、單體離群等，提前識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)電池，主動(dòng)更換。主動(dòng)檢測(cè)保護(hù)主要針對(duì)具備自動(dòng)滅火裝置的動(dòng)力電池，當(dāng)電池管理系統(tǒng)識(shí)別到電池包存在熱失控時(shí)，主動(dòng)開(kāi)啟噴淋系統(tǒng)，對(duì)失效部位進(jìn)行降溫處理，從而抑制熱失控。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從理解動(dòng)力電池?zé)崾Э氐臋C(jī)理，明確誘因，系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)動(dòng)力電池安全設(shè)計(jì)要素出發(fā)，淺談行業(yè)內(nèi)預(yù)防電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵技術(shù)，后續(xù)將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的研究，切實(shí)保障動(dòng)力電池的安全。相信隨著電池技術(shù)的不斷成熟，消費(fèi)者對(duì)動(dòng)力電池的信賴也會(huì)不斷提高，電動(dòng)汽車勢(shì)必成為未來(lái)出行的不二選擇。