新能源汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э胤治?/h1>
2024-08-24 00:00:00林樹(shù)潮胡寶林
汽車與新動(dòng)力 2024年4期
關(guān)鍵詞：新能源汽車；熱失控；動(dòng)力電池
0 前言
隨著我國(guó)新能源汽車銷量的不斷增長(zhǎng)，新能源汽車的保有量也在快速增加。隨著新能源汽車保有量的增加，新能源汽車因熱失控導(dǎo)致的火災(zāi)事故日益頻發(fā)，因此，對(duì)新能源汽車火災(zāi)熱失控開(kāi)展調(diào)查研究，有利于我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的安全健康發(fā)展。
1 研究背景
三元鋰離子電池因其高能量密度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，但其安全性卻未能完全與其市場(chǎng)規(guī)模相匹配。在新能源汽車起火事故中，電芯熱失控為動(dòng)力電池故障的主要原因。深入研究三元鋰離子電池的熱失控及其擴(kuò)展特性，以及火災(zāi)深度調(diào)查技術(shù)，可為新能源汽車行業(yè)提供有效的熱失控缺陷預(yù)防方案。
2 熱失控機(jī)理
鋰離子動(dòng)力電池單體的熱失控機(jī)理如圖1 所示［1］。在發(fā)生熱失控的過(guò)程中，電池通常會(huì)發(fā)生固體電解質(zhì)界面（SEI）膜分解反應(yīng)、正極或負(fù)極活性物質(zhì)與電解液反應(yīng)、電解液分解反應(yīng)、負(fù)極活性物質(zhì)與黏結(jié)劑反應(yīng)等［2］。在高溫環(huán)境下，鋰離子電池的容量會(huì)明顯降低，與此同時(shí)，電池正極和負(fù)極的內(nèi)阻均有所增長(zhǎng)，其中正極內(nèi)阻的增長(zhǎng)相對(duì)較小，而負(fù)極內(nèi)阻的增長(zhǎng)則更為顯著。當(dāng)溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，鋰離子電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)。在80～120 ℃的溫度范圍內(nèi)，SEI 膜會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，從而導(dǎo)致負(fù)極活性物質(zhì)失去保護(hù)。負(fù)極活性物質(zhì)一旦失去保護(hù)，嵌入負(fù)極的鋰金屬便會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)，溫度繼續(xù)上升會(huì)引發(fā)電池多孔隔膜閉孔。常見(jiàn)的隔膜材料有聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）2 類，其隔膜閉孔的起始溫度分別約為130 ℃ 和170 ℃ ，隔膜閉孔會(huì)阻斷外部短路的電流回路，起到一定的自保護(hù)作用，但如果溫度繼續(xù)上升，隔膜會(huì)在190 ℃左右解體，引發(fā)內(nèi)部短路，過(guò)大的電流會(huì)使溫度迅速升高，進(jìn)而引發(fā)正極分解與電解質(zhì)分解反應(yīng)。正極分解釋放大量的熱量，被認(rèn)為是觸發(fā)熱失控的重要原因之一［3］。鋰離子正極材料在分解過(guò)程中會(huì)釋放出氧氣，隨著氣體的迅速聚集和膨脹，電池內(nèi)部的壓力會(huì)迅速上升。一旦內(nèi)部壓力超過(guò)電池安全閥所能承受的極限，就會(huì)形成噴射現(xiàn)象，這將對(duì)電池的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
3 熱失控觸發(fā)方式
熱失控的觸發(fā)方式主要包括機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用，如圖2 所示。機(jī)械濫用是指車輛碰撞等引發(fā)車輛結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)而導(dǎo)致B 級(jí)電路短路，電池受到擠壓、穿刺等物理結(jié)構(gòu)損壞；電濫用是指外部電路過(guò)流、短路等非預(yù)期的大電流超過(guò)了電池或電池系統(tǒng)可以承受的最大電流，導(dǎo)致線纜發(fā)熱、電池?zé)崾Э氐龋粺釣E用是指電池受到超過(guò)電芯安全閾值的加熱，從而引起電芯熱失控，其中加熱原因可能來(lái)自相鄰的熱失控電池，也可能來(lái)自車輛散熱系統(tǒng)失效所積攢的熱量。3 種濫用觸發(fā)方式之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系［1］。當(dāng)發(fā)生機(jī)械濫用時(shí)，電池會(huì)發(fā)生變形；這種變形會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生短路，即發(fā)生電濫用；電濫用通常會(huì)伴隨著焦耳熱和化學(xué)反應(yīng)熱的產(chǎn)生，這2 種熱量的累積會(huì)導(dǎo)致電池的熱濫用；熱濫用則進(jìn)一步造成電池溫度的急劇上升，最終引發(fā)鋰離子電池的熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
4 新能源汽車熱失控預(yù)警安全特征參數(shù)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池、電機(jī)、電控（以下簡(jiǎn)稱“ 三電”）系統(tǒng)的預(yù)警和故障診斷，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法提取三電系統(tǒng)運(yùn)行中的安全特征參數(shù)，并嚴(yán)格監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)變化情況，從而實(shí)現(xiàn)三電系統(tǒng)故障的識(shí)別，這是保障新能源汽車安全的重要方向。
在動(dòng)力電池方面，當(dāng)前大部分關(guān)于安全特征參數(shù)的研究是基于恒定工況，針對(duì)多場(chǎng)耦合、復(fù)雜交變應(yīng)力條件下的性能演變規(guī)律和安全特性方面的研究較少，往往僅通過(guò)內(nèi)阻、容量等少量參數(shù)進(jìn)行表征，難以全面反映動(dòng)力電池狀態(tài)。電機(jī)電控相關(guān)研究也存在表征參數(shù)較少等問(wèn)題，所得結(jié)論難以在實(shí)車工況下得到應(yīng)用。總之，現(xiàn)有方法不適用于實(shí)際使用條件下的復(fù)雜工況環(huán)境，存在診斷指標(biāo)單一、報(bào)警時(shí)間短等缺點(diǎn)，無(wú)法從根本上遏制熱失控等常見(jiàn)新能源汽車事故的發(fā)生。目前，新能源汽車安全特征參數(shù)閾值體系尚不完善。
5 熱擴(kuò)散防護(hù)
熱擴(kuò)散防護(hù)技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，主要包括熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)、安全狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷溯源3 個(gè)方面。
5. 1 熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)
熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)側(cè)重于單體性能的改善，一般通過(guò)對(duì)單體內(nèi)部材料的改進(jìn)與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。在正負(fù)極材料方面，新材料的摻入或包覆，同時(shí)改善正負(fù)極材料攪拌工藝，可以提高正負(fù)極材料的穩(wěn)定性，還可以通過(guò)改善電性能的方式降低熱失控的發(fā)生概率；在電解液方面，通過(guò)加入功能添加劑（如阻燃劑、過(guò)充保護(hù)劑等），可以提升單體電芯的熱性能。
5. 2 安全狀態(tài)監(jiān)控
電池管理系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)采集動(dòng)力電池的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、最大充放電功率等參數(shù)的監(jiān)控，從而對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行合理控制，使得動(dòng)力電池能夠在復(fù)雜車用環(huán)境下安全可靠地正常運(yùn)行［4］。當(dāng)動(dòng)力電池的電壓出現(xiàn)非正態(tài)偏離或者觀測(cè)參數(shù)超越控制閾值時(shí)，需要進(jìn)行主動(dòng)控制和系統(tǒng)預(yù)警。
5. 3 故障診斷溯源
故障診斷溯源系統(tǒng)作為電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，可對(duì)問(wèn)題根源進(jìn)行針對(duì)性控制。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)單體電壓、溫度等特征參量，可判定單體是否出現(xiàn)熱失控，進(jìn)而通過(guò)報(bào)警或預(yù)警的方式提醒新能源汽車用戶，以避免極限工況的發(fā)生。
6 結(jié)語(yǔ)
本文基于國(guó)內(nèi)外新能源汽車熱失控的反應(yīng)機(jī)理及誘因研究現(xiàn)狀分析，闡述了新能源汽車在運(yùn)行安全及風(fēng)險(xiǎn)防控等方面面臨的理論難點(diǎn)及科學(xué)挑戰(zhàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)在役新能源汽車失控事故機(jī)理進(jìn)行深度調(diào)查、缺陷識(shí)別與判定、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與防控等，得出了在現(xiàn)有新能源汽車因熱失控引起的火災(zāi)事故中，開(kāi)展針對(duì)事故數(shù)據(jù)的挖掘分析及研究的重要性。
關(guān)鍵詞：新能源汽車；熱失控；動(dòng)力電池
0 前言
隨著我國(guó)新能源汽車銷量的不斷增長(zhǎng)，新能源汽車的保有量也在快速增加。隨著新能源汽車保有量的增加，新能源汽車因熱失控導(dǎo)致的火災(zāi)事故日益頻發(fā)，因此，對(duì)新能源汽車火災(zāi)熱失控開(kāi)展調(diào)查研究，有利于我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的安全健康發(fā)展。
1 研究背景
三元鋰離子電池因其高能量密度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，但其安全性卻未能完全與其市場(chǎng)規(guī)模相匹配。在新能源汽車起火事故中，電芯熱失控為動(dòng)力電池故障的主要原因。深入研究三元鋰離子電池的熱失控及其擴(kuò)展特性，以及火災(zāi)深度調(diào)查技術(shù)，可為新能源汽車行業(yè)提供有效的熱失控缺陷預(yù)防方案。
2 熱失控機(jī)理
鋰離子動(dòng)力電池單體的熱失控機(jī)理如圖1 所示［1］。在發(fā)生熱失控的過(guò)程中，電池通常會(huì)發(fā)生固體電解質(zhì)界面（SEI）膜分解反應(yīng)、正極或負(fù)極活性物質(zhì)與電解液反應(yīng)、電解液分解反應(yīng)、負(fù)極活性物質(zhì)與黏結(jié)劑反應(yīng)等［2］。在高溫環(huán)境下，鋰離子電池的容量會(huì)明顯降低，與此同時(shí)，電池正極和負(fù)極的內(nèi)阻均有所增長(zhǎng)，其中正極內(nèi)阻的增長(zhǎng)相對(duì)較小，而負(fù)極內(nèi)阻的增長(zhǎng)則更為顯著。當(dāng)溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，鋰離子電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)。在80～120 ℃的溫度范圍內(nèi)，SEI 膜會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，從而導(dǎo)致負(fù)極活性物質(zhì)失去保護(hù)。負(fù)極活性物質(zhì)一旦失去保護(hù)，嵌入負(fù)極的鋰金屬便會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)，溫度繼續(xù)上升會(huì)引發(fā)電池多孔隔膜閉孔。常見(jiàn)的隔膜材料有聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）2 類，其隔膜閉孔的起始溫度分別約為130 ℃ 和170 ℃ ，隔膜閉孔會(huì)阻斷外部短路的電流回路，起到一定的自保護(hù)作用，但如果溫度繼續(xù)上升，隔膜會(huì)在190 ℃左右解體，引發(fā)內(nèi)部短路，過(guò)大的電流會(huì)使溫度迅速升高，進(jìn)而引發(fā)正極分解與電解質(zhì)分解反應(yīng)。正極分解釋放大量的熱量，被認(rèn)為是觸發(fā)熱失控的重要原因之一［3］。鋰離子正極材料在分解過(guò)程中會(huì)釋放出氧氣，隨著氣體的迅速聚集和膨脹，電池內(nèi)部的壓力會(huì)迅速上升。一旦內(nèi)部壓力超過(guò)電池安全閥所能承受的極限，就會(huì)形成噴射現(xiàn)象，這將對(duì)電池的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
3 熱失控觸發(fā)方式
熱失控的觸發(fā)方式主要包括機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用，如圖2 所示。機(jī)械濫用是指車輛碰撞等引發(fā)車輛結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)而導(dǎo)致B 級(jí)電路短路，電池受到擠壓、穿刺等物理結(jié)構(gòu)損壞；電濫用是指外部電路過(guò)流、短路等非預(yù)期的大電流超過(guò)了電池或電池系統(tǒng)可以承受的最大電流，導(dǎo)致線纜發(fā)熱、電池?zé)崾Э氐龋粺釣E用是指電池受到超過(guò)電芯安全閾值的加熱，從而引起電芯熱失控，其中加熱原因可能來(lái)自相鄰的熱失控電池，也可能來(lái)自車輛散熱系統(tǒng)失效所積攢的熱量。3 種濫用觸發(fā)方式之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系［1］。當(dāng)發(fā)生機(jī)械濫用時(shí)，電池會(huì)發(fā)生變形；這種變形會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生短路，即發(fā)生電濫用；電濫用通常會(huì)伴隨著焦耳熱和化學(xué)反應(yīng)熱的產(chǎn)生，這2 種熱量的累積會(huì)導(dǎo)致電池的熱濫用；熱濫用則進(jìn)一步造成電池溫度的急劇上升，最終引發(fā)鋰離子電池的熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
4 新能源汽車熱失控預(yù)警安全特征參數(shù)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池、電機(jī)、電控（以下簡(jiǎn)稱“ 三電”）系統(tǒng)的預(yù)警和故障診斷，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法提取三電系統(tǒng)運(yùn)行中的安全特征參數(shù)，并嚴(yán)格監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)變化情況，從而實(shí)現(xiàn)三電系統(tǒng)故障的識(shí)別，這是保障新能源汽車安全的重要方向。
在動(dòng)力電池方面，當(dāng)前大部分關(guān)于安全特征參數(shù)的研究是基于恒定工況，針對(duì)多場(chǎng)耦合、復(fù)雜交變應(yīng)力條件下的性能演變規(guī)律和安全特性方面的研究較少，往往僅通過(guò)內(nèi)阻、容量等少量參數(shù)進(jìn)行表征，難以全面反映動(dòng)力電池狀態(tài)。電機(jī)電控相關(guān)研究也存在表征參數(shù)較少等問(wèn)題，所得結(jié)論難以在實(shí)車工況下得到應(yīng)用。總之，現(xiàn)有方法不適用于實(shí)際使用條件下的復(fù)雜工況環(huán)境，存在診斷指標(biāo)單一、報(bào)警時(shí)間短等缺點(diǎn)，無(wú)法從根本上遏制熱失控等常見(jiàn)新能源汽車事故的發(fā)生。目前，新能源汽車安全特征參數(shù)閾值體系尚不完善。
5 熱擴(kuò)散防護(hù)
熱擴(kuò)散防護(hù)技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，主要包括熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)、安全狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷溯源3 個(gè)方面。
5. 1 熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)
熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)側(cè)重于單體性能的改善，一般通過(guò)對(duì)單體內(nèi)部材料的改進(jìn)與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。在正負(fù)極材料方面，新材料的摻入或包覆，同時(shí)改善正負(fù)極材料攪拌工藝，可以提高正負(fù)極材料的穩(wěn)定性，還可以通過(guò)改善電性能的方式降低熱失控的發(fā)生概率；在電解液方面，通過(guò)加入功能添加劑（如阻燃劑、過(guò)充保護(hù)劑等），可以提升單體電芯的熱性能。
5. 2 安全狀態(tài)監(jiān)控
電池管理系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)采集動(dòng)力電池的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、最大充放電功率等參數(shù)的監(jiān)控，從而對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行合理控制，使得動(dòng)力電池能夠在復(fù)雜車用環(huán)境下安全可靠地正常運(yùn)行［4］。當(dāng)動(dòng)力電池的電壓出現(xiàn)非正態(tài)偏離或者觀測(cè)參數(shù)超越控制閾值時(shí)，需要進(jìn)行主動(dòng)控制和系統(tǒng)預(yù)警。
5. 3 故障診斷溯源
故障診斷溯源系統(tǒng)作為電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，可對(duì)問(wèn)題根源進(jìn)行針對(duì)性控制。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)單體電壓、溫度等特征參量，可判定單體是否出現(xiàn)熱失控，進(jìn)而通過(guò)報(bào)警或預(yù)警的方式提醒新能源汽車用戶，以避免極限工況的發(fā)生。
6 結(jié)語(yǔ)
本文基于國(guó)內(nèi)外新能源汽車熱失控的反應(yīng)機(jī)理及誘因研究現(xiàn)狀分析，闡述了新能源汽車在運(yùn)行安全及風(fēng)險(xiǎn)防控等方面面臨的理論難點(diǎn)及科學(xué)挑戰(zhàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)在役新能源汽車失控事故機(jī)理進(jìn)行深度調(diào)查、缺陷識(shí)別與判定、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與防控等，得出了在現(xiàn)有新能源汽車因熱失控引起的火災(zāi)事故中，開(kāi)展針對(duì)事故數(shù)據(jù)的挖掘分析及研究的重要性。
