解決動力電池熱失控需要三板斧

5月6日～7日，由清華大學(xué)主辦的第一屆全國鋰離子電池安全性技術(shù)研討會在北京召開。本次會議圍繞動力電池熱失控問題(高溫熱失控為主)，討論影響電池安全性的各種因素，以及如何進一步提升鋰離子電池安全性的技術(shù)手段與技術(shù)措施。清華大學(xué)歐陽明高教授在會上分析了動力電池熱失控的三種誘因，并對此提出了一些解決方案及建議。

熱誘因

通俗來講，所謂的熱誘因就是外部高溫環(huán)境，包括外部起火、電池散熱不良等。在外部高溫下，由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特性， SEI膜、電解液等會發(fā)生分解反應(yīng)，電解液的分解物還會與正極、負極發(fā)生反應(yīng)，電芯隔膜將融化分解，多種反應(yīng)導(dǎo)致大量熱量的產(chǎn)生。隔膜融化導(dǎo)致內(nèi)部短路，電能量的釋放又增大了熱量的生產(chǎn)。這種累積的互相增強的破壞作用，其后果是導(dǎo)致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，發(fā)生燃燒起火。

試驗數(shù)據(jù)顯示，當電池單體溫度達到135℃時，隔膜開始融化，電壓下降；150℃電池電壓快速下降；等溫度高達245℃時，隔膜完全崩潰，電池就會出現(xiàn)起火爆炸的現(xiàn)象。

對此，廠商可以從電池設(shè)計和BMS電池管理系統(tǒng)兩個方面來解決。從電池設(shè)計角度，可以開發(fā)來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應(yīng)；從電池管理角度，可以預(yù)測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級，從而進行分級報警。

現(xiàn)在市面上的電動汽車的動力電池都包含熱管理系統(tǒng)，采用風冷或者水冷方案為電池散熱。對于用戶，要從使用習(xí)慣開始消除熱誘因，比如避免陽光直射車輛、車內(nèi)不要放置易燃物等，同時常備車載滅火器，消除自燃因素。此外，時刻關(guān)注儀表板或中控屏上的電池溫度信息，一般來說電池單體的工作溫度在40℃～50℃之間，高于或低于這個溫度范圍都是不利于電池使用的。

電化學(xué)誘因

電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內(nèi)短路。這種內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時間非常長，而且不知道它什么時候會出現(xiàn)熱失控。若進行試驗，無法重復(fù)驗證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程，都在研究當中。

要解決這個問題，首先提高制造工藝減少電池制造中的雜質(zhì)。這就要選擇產(chǎn)品品質(zhì)好的電池廠商，其次對內(nèi)短路進行安全預(yù)測，在沒有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。這意味著必須要找到單體的特征參數(shù)，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內(nèi)阻也是不一致的，只要找到中間有變異的單體，就可以將其辨別出來。具體而言，正常的一個電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，方程的形式實際上是一樣的，只不過正常單體、微短路的單體的參數(shù)發(fā)生了變化。可以針對這些參數(shù)來進行研究，看其在內(nèi)短路變化中的一些特征。

滿電狀態(tài)的電池負極上嵌入大量鋰離子，過充后，負極片上產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象，出現(xiàn)針狀的鋰金屬結(jié)晶，刺穿隔膜發(fā)生短路。在BMS電池管理系統(tǒng)中，都會有過充保護策略，當系統(tǒng)檢測到電池電壓達到閾值時，就會關(guān)斷充電回路，對電池進行保護。雖然在出廠前，廠家針對BMS都會進行一些列電性能測試，但是為了預(yù)防萬一，還是不建議廣大用戶長時間給電動汽車充電，并且選擇正規(guī)的充電設(shè)備，消除過充隱患。

機械電氣誘因

碰撞是典型的機械觸發(fā)熱失控的一種方式，也就是汽車碰撞事故而引發(fā)電池受損。電池受損時也會產(chǎn)生內(nèi)短路而引發(fā)熱失控，但是這種短路與電化學(xué)誘因引發(fā)的短路不同，機械受損一般是瞬間發(fā)生的，對應(yīng)實際生活中的突發(fā)事故，強烈的撞擊、翻車、擠壓都可以導(dǎo)致電池在很短的時間內(nèi)發(fā)生機械損壞。

解決碰撞(機械)觸發(fā)熱失控的辦法就是做好電池的結(jié)構(gòu)安全性保護設(shè)計。為此，歐陽明高教授給出了四種設(shè)計路線：

1 組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計：塑料框架支撐+鋼帶預(yù)緊的組裝結(jié)構(gòu)以及高強度骨架；

2 可靠性設(shè)計：利用電池包隔振連接器減少震動磨損；彈性浮動板保證連接可靠性；IP67方式防塵設(shè)計；

3 防碰撞輕量化設(shè)計：防碰撞CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化；滿足強度要求的電池模組輕量化，方殼系統(tǒng)質(zhì)量成組效率>90%；

4 電池包定位鎖緊技術(shù)：利用限位自鎖及單項鎖緊機構(gòu)對電池包進行精確定位、鎖緊。

與會專家認為，電動汽車電池應(yīng)符合性能與安全相關(guān)要求，安全性測試驗證要滿足熱測試(高溫危險、熱穩(wěn)定、無熱管理循環(huán)、熱沖擊循環(huán)、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，這并不意味著動力電池企業(yè)可以高枕無憂。安全無止境，提高電動汽車安全性，還需要國家、科研機構(gòu)、動力電池整個產(chǎn)業(yè)鏈條等多方的共同努力。

在燃油汽車發(fā)展的一百多年歷史中，也曾不斷出現(xiàn)事故，遇到挫折是任何事情發(fā)展的規(guī)律。因此，對于各類事故，電動汽車各產(chǎn)業(yè)鏈不應(yīng)止步不前，而應(yīng)審視并完善自身存在的各種問題與不足。同時也應(yīng)意識到消費者對安全的要求是無止境的，要讓安全成為滿足一切功能的首要條件。