鋰離子動力電池系統熱失控檢測原理及方案

【摘" 要】鋰離子電池的熱失控問題一直是制約電動汽車發展的因素之一，因此需要及時對熱失控電池進行預警，避免發生起火等車輛安全事故。動力電池熱失控過程通常伴隨有煙霧產生，可通過煙霧檢測識別故障信號。文章首先匯總6種鋰離子動力電池系統熱失控檢測原理及方案，并對不同方案的優劣進行對比，重點分析煙霧傳感器的功能驗證和市場情況，以期為提高鋰離子電池的熱失控檢測提供指導。

【關鍵詞】鋰離子電池；熱失控檢測；方案；電動汽車；煙霧傳感器

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）03-0017-03

The Principle and Scheme of Thermal Runaway Detection for Lithium-ion Power Battery Systems*

QIN Liwei，JIANG Dianshuang，XU Aiqin，WANG Mengyuan，LIU Shulong

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co.，Ltd.，Hefei 230092，China）

【Abstract】The thermal runaway problem of lithium-ion batteries has always been one of the factors restricting the development of electric vehicles. Therefore，it is necessary to promptly warn of thermal runaway batteries to avoid vehicle safety accidents such as fires. The thermal runaway process of power batteries is usually accompanied by smoke generation，and fault signals can be identified through smoke detection. This article first proposes six principles and solutions for thermal runaway detection in lithium-ion power battery systems，compares the advantages and disadvantages of different solutions，and focuses on analyzing the functional verification and market situation of smoke sensors，in order to provide guidance for improving the thermal runaway detection of lithium-ion batteries.

【Key words】lithium-ion battery；thermal runaway detection；program；electric vehicles；smoke sensor

作者簡介

秦李偉（1983—），男，高級工程師，碩士，主要研究方向為動力電池系統開發與應用。

1" 電池熱失控檢測原理及方案

1.1" 電壓檢測

1）原理：當出現熱失控現象時，電池溫度受到內熱源影響迅速升高，電池隔膜會在溫度超過110℃時出現收縮、穿孔，導致電芯內短路，電壓迅速下降。圖1為某152Ah磷酸鐵鋰電芯熱失控過程電壓變化趨勢。

2）方案：復用模組內的單體電壓采集信號，設置電壓值變化或電壓變化率閾值，用于判斷是否存在電池熱失控的發生。

3）存在的問題：①當BMS主板因干擾等原因發生溫度、電壓采樣故障時，此時電壓采集不準確，易導致熱失控報警誤觸發；②由于電池在大功率放電時的極化特性，在此工況下發生單體電芯電壓迅速下降，導致熱失控報警誤觸發；③電芯以多并方案連接時，熱失控電芯在失效時可能從并聯回路中斷開，造成電壓下降趨勢不明顯，導致無法有效識別熱失控故障。

1.2" 溫度檢測

1）原理：當出現熱失控現象時，電芯頂部會接收到電池內熱源所產生的熱量，造成附近電芯的溫度信號異常。圖2為電芯熱失控過程的溫度變化趨勢。

2）方案：復用模組內溫度采集信號，根據溫度值變化、溫度變化率或各點溫度差異判斷電池熱失控是否發生。

3）存在的問題：①當熱失控電芯與傳感器距離較遠時，溫度異常信號無法得到及時反饋；②當BMS主板因干擾等原因發生溫度、電壓采樣故障時，此時電壓采集不準確，易導致熱失控報警誤觸發；③在大功率放電工況下，電池系統附件產生的熱量使溫度快速上升，可能導致熱失控報警誤觸發；④熱管理失效時，熱管理控制的相關部件工作異常，導致溫度不受控制引起溫度升高，導致熱失控報警誤觸發；⑤對于小容量的電池包，由于單體電池數量較多，無法做到所有電芯表面均布置溫度傳感器。

1.3" 氣壓檢測

1）原理：電池某單體發生熱失控時，電池包內氣壓因大量釋放高溫氣體迅速升高直至觸發泄壓閥，之后電池包內氣壓隨之下降，下一個單體發生熱失控后，電池包內氣壓再次上升[1]。

2）方案：電池包內放置氣壓傳感器進行檢測。

3）存在的問題：①由小型電芯構成的電池體系，其內部電芯發生熱失控時產生的氣體較少，溫度較低，不會造成包內氣壓的急劇升高，有可能達不到啟動條件；②電池發生熱失控后，氣壓峰值維持時間極短，通常僅有100ms，根據傳感器的采樣頻率，此類一次性的信號不易采集，存在無法識別信號的可能性，造成漏判；③觸發閾值難以準確設置，過高會因溫度較低，氣壓幅度變化不明顯而漏判，過低會因急加急減工況下氣壓變化導致誤判。

1.4" 特征氣體和揮發性有機化合物檢測

1）原理：在熱失控之前，電池內部會發生強烈的化學反應，主要是由電解質LiPF6、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯等分解生成氣體[2]。

2）方案：使用氣體檢測，判斷是否產生特征氣體。

3）該方案存在的問題：①電池包是一個封閉的空間，電池系統中的其它配件會散發出一些氣體，例如釋放CO的結構膠粘劑會對傳感器產生影響；②氣體特征傳感器目前普遍壽命較短，不滿足電池包8年甚至更長使用壽命的需求。

1.5" 膨脹力檢測

1）原理：鋰離子電池在熱失控之前，其膨脹力與常規充放電時存在明顯不同，可以通過對熱失控電芯的膨脹力表現進行標定，以實現熱失控預警[3]。

2）方案：模塊式膨脹力傳感器通常有2種測試方式，一種是外置式，一種是內置式。外置是通過模塊的端板與側面板的相對變形量來進行電池的膨脹力的轉換，而電池的膨脹力則是內置的，是由薄膜型的壓電型傳感器直接測得的。

3）存在的問題：①膨脹力的變化在不同的電池系統中存在很大的差別，并且在不同的電池系統中呈現出不同的膨脹力；②膨脹力變化情況標定有一定難度，溫度、SOC、SOH均影響膨脹力表現；③膨脹力檢測適用于方形電芯，對圓柱電芯不適用，應用場景受限。

1.6" 煙霧檢測

1）原理：電池熱失控時會發生劇烈的燃燒和爆炸，過程中釋放出大量的固體和液體顆粒。

2）方案：安裝煙霧傳感器，通過報警電路判斷煙霧顆粒的濃度是否超過閾值并發出警報。

3）存在的問題：當電池包內存在異物或清潔度較低時，導致誤觸發熱失控預警。

2" 方案對比

將以上幾種檢測方案進行對比，-為劣勢，+為優勢，—為中性。其詳細的對比結果見表1。結果顯示，相比于其他檢測方案，煙霧檢測不易漏報，壽命更長，且在預警提前量、檢測速度、誤報概率方面滿足需求。

3" 煙霧檢測方案功能驗證

3.1" 試驗方法

以某項目動力電池包為研究對象，通過加熱法將電池包內某顆電芯引爆。

1）將處理好的待測電池包放進防爆箱，加熱絲導線與溫感線通過箱體側面孔洞伸出箱外，合好防爆箱蓋子。

2）將加熱絲導線連接到直流電源正負極，溫感線按照標記好的順序依次接到數據記錄儀，并檢查無誤。

3）先打開數據記錄儀，待記錄儀開始記錄數據時打開直流電源為單體加熱。

4）加熱電芯失控之后立即關閉直流電源，并觀察記錄儀數據記錄情況。失控判斷方式：加熱電芯溫度急劇上升至300℃以上，聽見電芯爆炸聲或者看見防爆箱突然出現濃煙。以上至少滿足其中一項即可判定加熱電芯發生失控。

3.2" 試驗結果

鋰離子電池包熱失控后狀態如圖3所示，熱失控過程中傳感器采集的數據如圖4所示。單體爆噴后，傳感器50s達到滿量程并維持到開蓋之前，響應速度較快且煙霧濃度值不下降。根據GB 38031—2020《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》，鋰離子電池包或系統熱失控前5min應發出警告信號，該結果滿足國標要求。

4" 煙霧檢測方案市場情況

煙霧傳感器在市場應用中誤報率較低，統計2022年市場某款保有量為7萬輛的電動汽車運行情況，發現2例誤報，原因為異物。

1）電池包內異物。一例BMS持續上報電池爆噴故障，煙霧傳感器濃度值為11000μg/m3，且數值不斷更新，通信正常。拆包后發現電池包內有明顯白色粉塵異物，如圖5所示。讀取傳感器內部歷史保存數據，發現濃度值從0突變至8200μg/m3，導致熱失控故障觸發。推測為在車輛運行過程中磨損所致，包括上蓋與模組塑料件的磨損、云母板與殼體、鈑金件的磨損、模組塑料件與下殼體的磨損。

2）傳感器內異物。一例BMS持續上報電池爆噴故障，煙霧傳感器濃度值為11000μg/m3，且數值不斷更新，通信正常，拆包后發現傳感器內存在頭發絲，如圖6所示。

5" 總結

基于熱失控原理，分別提出電壓、溫度、氣壓等故障信號識別方法，綜合對比各方案的優劣，發現利用煙霧的濃度信號作為鋰離子電池熱失控早期預警手段具有一定優勢。通過熱失控試驗，煙霧傳感器檢測方案的可靠性、準確性以及預警提前量均滿足要求，適合進行熱失控預警。從市場表現看，煙霧傳感器盡管誤報率較低，但仍存在因異物導致的誤報，應注意市場車輛真實上報與誤報的識別。

參考文獻：

[1] 張添奧，劉昊，陳永翀，等. 磷酸鐵鋰電池內部氣壓失控特性研究[J]. 電源技術，2021，45（12）：1540-1543，1547.

[2] 石爽，呂娜偉，馬敬軒，等. 不同類型氣體探測對磷酸鐵鋰電池儲能艙過充安全預警有效性對比[J]. 儲能科學與技術，2022，11（8）：2452-2462.

[3] 梁浩斌，杜建華，郝鑫，等. 鋰電池膨脹形成機制研究現狀[J]. 儲能科學與技術，2021，10（2）：647-657.

（編輯" 凌" 波）