新能源汽車動力電池熱失控環境下數據解析研究

陳旻，肖凌云，曲現國

（1.國家市場監督管理總局缺陷產品管理中心，北京 100191；2.招商局檢測車輛技術研究院有限公司，重慶 400000；3.國家市場監管重點實驗室（產品缺陷與安全），北京 100191）

引言

傳統汽車對石油等不可再生能源的消耗不斷加劇，嚴重影響了環境質量，同時也為未來社會的發展埋下隱患。為了實現可持續發展，國家推行綠色發展觀念，而新能源汽車在其中扮演著重要的角色。新能源汽車有著無污染，低排放的優點，實現了節能與環保的結合，但同時，新能源汽車在安全性能上也帶來了一系列問題。2018-2019國家監管平臺統計數據顯示，我國新能源汽車每行駛4.47億公里發生一次燃燒事故。而2019年公開報道的新能源汽車著火事故達到128起。新能源汽車獨特的以電池、電機、電控為核心的三電系統，使其動力結構，起火的原因與傳統汽車有著比較顯著的區別，同時也給其獨特的系統數據記錄功能，使得我們能通過新能源汽車數據對事故現象進行分析[1]。新能源汽車動力電池熱失控數據有著數據類別豐富，數據量龐大等特點，為了研究新能源汽車火災事故發生原因，并形成新能源汽車安全隱患的有效監測方法，本文通過對新能源汽車火災事故數據與全生命周期數據的分析，歸納總結新能源汽車火災事故的參數以及它們對熱失控事故發生的影響，從數據上對新能源汽車熱失控事故發生進行監測與判定。

1 新能源電池熱控問題

新能源電池使用中一旦出現熱失控問題，容易引發自燃，嚴重影響駕駛人生命安全以及財產安全。所以需要針對新能源電池熱失控問題有綜合認識，導致出現電池熱失控的原因主要為：當前新能源汽車企業數量迅速增加，然而電池使用投入金額數量較大，部分企業會將此部分業務整體承包給電池生產廠商，電池生產后經過檢驗合格才能夠到廠家，完成整個車輛的組裝工作。在這一方式的應用下容易導致技術上存在不匹配，電力供應和終端用戶參數之間有所差異，時間越長電池出現熱失控的風險越大。同時在電動車使用中，提速以及加速比較快，部分駕駛人員為獲取駕駛激情，會針對電池組實施改裝，改裝后電池供應電壓也會有所改變，和原廠家配置參數存在不同，進而導致電池組運行和充電參數出現改變，進而引發出現電池熱失控。

關于環境對新能源電池熱失控的影響，主要是受到電池結構特性的影響，在高溫環境下，SET膜、EC以及電解液等會出現分解，電解液的分解物也會和正極、負極發生反應，電芯隔膜進而被融化分解，各種反應的產生會引發出現大量熱量。隔膜融化也會導致出現內部短路，隨著電能量的釋放也會加大熱量生產。在以上累計過程中，進而出現相互增強的破壞作用，最終導致電芯防爆膜破裂，噴出電解液，發生燃燒。其中三元系電池和磷酸鐵鋰電池相比，正極材料更容易出現分解反應，釋氧過程中會進一步加快發生熱失控。

2 新能源汽車全生命周期數據分析方法

新能源汽車動力電池全生命周期數據涵蓋電池生產原始出廠直至車電分離完成退役全流程的數據。其中，車載運行信息涵蓋了整車數據（整車狀態、車速、總電壓、總電流等）、驅動狀態（驅動電機狀態與序號等）、車輛位置數據（定位狀態）以及電池極值和報警數據的車載運行信息數據庫。車載運行信息在熱失控電池的分析過程中具有重要價值，可以有效反映動力蓄電池在車載使用過程中的各項指標變化情況[4]。

為了評判新能源汽車使用過程中是否存在安全風險，我們對其全生命周期數據中車載運行信息進行了分析，其中最高/最低單體電壓與壓差分析、最高/最低溫度及溫差分析、充電習慣分析、報警形式分析，對BMS的控制策略的針對性分析（包括充放電電流限制，充電階段高電壓區間過流分析等）。通過各項新能源汽車運行過程典型的參數變化分析，了解故障的發生原因。

1）最高/最低單體電壓與壓差分析

在標準運行條件下，新能源汽車單體電池電壓在全生命周期時間內應該隨電池的標稱電壓，在一個穩定的范圍內上下變化，同時各單體電池電壓之間的壓差應在0.2 V以內。單體電池發生熱失控時，其電壓往往在失控前有電壓降低，與其他電池壓差放大的征兆，以此可以判斷可能發生異常的電芯位置[5]。例如，某發生熱失控電池A的單體電池電壓在全生命周期內時域變化曲線、最低單體電壓對應序號圖如圖1。

圖1 電池A最高/最低單體電壓、壓差及最低電壓所在單體序號分析

從圖1左邊的壓差曲線圖中可以看出，電池A全生命周期內單體最高電壓較為恒定，而單體最低電壓在時域上呈現緩慢降低的趨勢，單體壓差也出現了緩慢增加的情況，大部分時間未超過0.1 V，平均壓差為0.042 9 V，但在事故發生前最后時刻壓差急劇增大至1.392 V。從事故前一段時間的最低單體電壓電芯序號圖來看內，最后時刻46號電芯（圖中紅色標注）出現在最低電壓，結合現場調查判定，46號電芯引發了熱失控。

2）最高/最低溫度及溫差分析

溫度參數是比較直觀的單體電池熱失控現象指標，在標準運行條件下，單體電池最高/低溫度隨電池的充放電流程規律性變化，單體電池最高溫度普遍不超過50 ℃，最低溫度可低至10 ℃左右，并且最高、最低溫度之間的溫差處于較為恒定的范圍內。當單體電池發生熱失控時，其和其附近的電池溫度將呈現上升趨勢，并且電池溫差將進一步放大。例如，電池B的單體電池溫度在全生命周期內時域變化曲線如圖2。

從圖2看，電池B在全生命周期內溫度隨電池的充放電進行有規律的變化，最高溫度和最低溫度在標準范圍內，但兩者的溫差不太穩定，有數次溫差達到了10 ℃，并且在事故發生前，最高單體溫度發生了急劇上升的情況，溫差也隨之大幅上升，說明在事故開始時單體電芯已經由于失控溫度不斷上升，由發生失控的電芯序號（23號）結合新能源汽車火災事故現場調查可以推斷出動力電池包首次發生熱失控導致升溫的模組部位[6]。

圖2 電池B最高/最低溫度及溫差分析

3）動力電池絕緣電阻分析

新能源汽車動力電池的絕緣電阻通常隨汽車的充放電在兩個端值間來回變化，對于不同的新能源汽車，這兩個端值可以在（1 000～10 000）kΩ之間，當最低絕緣阻值低于100 kΩ時，動力電池有失控的風險。例如，圖3為電池B在全生命周期內的絕緣電阻時域變化分析圖。

從圖3中可以看到，該電池在全生命周期內絕緣電阻處于4 000 kΩ與4 500 kΩ兩個端值間來回變化，偶爾上下端值會發生變化，但最低絕緣電阻依然在3 500 kΩ以上。而在圖中最后的時刻，絕緣電阻從4 500 kΩ急劇下降至接近于0，接著動力電池發生了熱失控現象。

圖3 電池B絕緣電阻全生命周期數據分析

4）多參數時域內共同演化分析

新能源汽車動力電池的電壓、溫度、絕緣電阻等多參數在全生命周期內的演化有著時域上的先后順序，可以進一步分析新能源汽車事故的發生原因。在絕緣電阻和低壓線束失效的情況下，全生命周期數據中絕緣電阻參數首先降至0，然后動力電池電壓下降，溫度上升；在外部熱源引發動力電池熱失控的情況下，動力電池周圍傳感器溫度受外部熱源影響先出現緩慢上升情況，隨后動力電池熱失控引發，動力電池溫度劇烈上升，同時動力電池的電壓與絕緣電阻快速下降；而在碰撞引發動力電池熱失控情況下，動力電池電壓與絕緣電阻的下降，以及溫度的上升，發生的時間點則較為接近[7]。

圖4為新能源汽車C在絕緣電阻失效模式下發生動力電池熱失控事故的全生命周期數據分析結果，在事故發生前的時間段內，絕緣阻值先從4 300 kΩ快速降至0，電池傳感器溫度也隨之開始上升，大約在40 s后動力電池單體電壓最低值也出現了異常下降，直到降至0.5 V以下時才穩定下來，此時電池最高溫度達到50 ℃，并在短時間的穩定后繼續往上增加。

圖4 電池C多參數全生命周期數據分析

5）BMS控制策略針對性分析

分析全生命周期數據在BMS控制策略中的風險點，主要方法是通過對比實際數據與控制策略的符合程度，判斷新能源汽車的充放電電流、充電高壓過流是否存在失控風險。例如，對新能源汽車D的BMS控制策略分析，其技術協議對恒流充電電流要求，在0 ℃以下不允許充電，但實際在該新能源汽車的全生命周期數據分析過程中，發現該汽車在（-5～0）℃期間有實際的充電情況（圖5）。當新能源汽車頻繁處于標準協議要求的充電電流、充電溫度范圍外進行充電行為時，過量的充電將會導致電池進一步發生析鋰現象，在電池內部累積產生鋰枝晶，鋰枝晶在與電解液反應過程中產生Li2CO3、LiF等非導電離子，從而加大了局部區域的電阻，在長時間的積累下高電阻區可能發生熱聚集，灼穿電池隔膜，從而導致動力電池發生熱失控。

圖5 新能源汽車D溫度、電壓數據隨時域變化圖

3 電池熱能失控的分析與應對

在以上數據研究中，最高/最低單體電壓與壓差分析中發現電池在發生事故之前最后時刻壓差會出現急劇增大情況，高達1.392 V，同時也會出現最低電壓，進而導致出現熱失控；同時關于最高/最低溫度及溫差分析中發現，如果是在正常環境下，單體電池最高溫度在50 ℃，最低約為10 ℃，溫差較為恒定，如果單體和附近電池溫度出現上升趨勢，溫差逐漸加大，如在10 ℃，單體溫度出現急劇上升，則存在有熱失控風險。針對此情況下可以加大對單體電池電壓監控，以此實現對熱失控事故的預防；在動力電池絕緣電阻研究中，發現汽車充放電導致電池絕緣電阻在兩個端值間出現變化，通常是在（1 000～10 000）kΩ，如果最低絕緣阻值在100 kΩ以下，可能會出現失控風險；在多參數時域內共同演化分析中發現，如果絕緣阻值出現急劇下降，電池傳感器溫度也有所上升，也就會導致電池單體電壓最低值出現一定降低，此情況下可能會引發事故；在BMS控制策略針對性分析中發現，新能源汽車頻繁處于標準協議要求的充電電流、充電溫度范圍外進行充電行為時，過量的充電會引發電池出現析鋰現象，在鋰枝晶在與電解液反應過程中產生Li2CO3、LiF等非導電離子，對于電池內部電阻有所加大，長此以往容易出現高電阻區可能發生熱聚集，提高了電池熱失控風險。針對此問題，應該盡量減少電池過量充電行為，加大電池安全保護，進而減少熱失控事故發生幾率。

針對電池熱能失控問題，可以采用以下方式實施預防和應對，具體為：第一，設置安全閥，同時也需要嚴格把控安全閥壓力值范圍；第二，安裝熱敏電阻，以免出現電池過充或者短路問題；第三，實現BMS精確熱管理，電池使用中也可以積極采用水冷、風冷等實施電池降溫；第四，在電解液中適當添加添加劑，以能夠有效降低電解液的可燃性；第五，提升SEI成膜質量，比如可以適當的在電解液中添加LiCF3SO3等，以能夠進一步提升SEI中的無機成分；第六，阻止正極材料和電解液發生反應，比如可以在電解液中使用添加劑或者采用材料實施正極材料包覆；第七，提升隔膜熔點，比如可以在隔膜兩側涂陶瓷層；第八，提高新能源電池使用規范性，減小或杜絕過充、過放電等人為因素影響。

總結：在新能源汽車電池發展中，目前更加注重高能量密度電池研發，但是提升電池能量密度主要受到安全問題的限制，頻繁發生的電池安全問題也進一步提高了人們對于安全問題的重視。以上針對新能源電池熱失控相關數據實施了分析，并提出了相應的熱失控預防策略，以能夠為新能源汽車電池安全應用提供相關建議。