歐陽(yáng)明高：解決動(dòng)力電池?zé)崾Э匦枰甯?/p>

5月6日～7日，由清華大學(xué)主辦的第一屆全國(guó)鋰離子電池安全性技術(shù)研討會(huì)在北京召開(kāi)。本次會(huì)議圍繞動(dòng)力電池?zé)崾Э貑?wèn)題(高溫?zé)崾Э貫橹?，討論影響電池安全性的各種因素，以及如何進(jìn)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(yáng)明高教授在會(huì)上分析了動(dòng)力電池?zé)崾Э氐娜N誘因，并對(duì)此提出了一些解決方案及建議。

熱誘因

通俗來(lái)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(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，電解液的分解物還會(huì)與正極、負(fù)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(qiáng)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(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)電池單體溫度達(dá)到135℃時(shí)，隔膜開(kāi)始融化，電壓下降;150℃電池電壓快速下降;等溫度高達(dá)245℃時(shí)，隔膜完全崩潰，電池就會(huì)出現(xiàn)起火爆炸的現(xiàn)象。

對(duì)此，廠商可以從電池設(shè)計(jì)和BMS電池管理系統(tǒng)兩個(gè)方面來(lái)解決。從電池設(shè)計(jì)角度，可以開(kāi)發(fā)來(lái)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(cè)不同的溫度范圍，來(lái)定義不同的安全等級(jí)，從而進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。

現(xiàn)在市面上的電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池都包含熱管理系統(tǒng)，采用風(fēng)冷或者水冷方案為電池散熱。對(duì)于用戶(hù)，要從使用習(xí)慣開(kāi)始消除熱誘因，比如避免陽(yáng)光直射車(chē)輛、車(chē)內(nèi)不要放置易燃物等，同時(shí)常備車(chē)載滅火器，消除自燃因素。此外，時(shí)刻關(guān)注儀表板或中控屏上的電池溫度信息，一般來(lái)說(shuō)電池單體的工作溫度在40℃～50℃之間，高于或低于這個(gè)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(shí)間非常長(zhǎng)，而且不知道它什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)熱失控。若進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)法重復(fù)驗(yàn)證。目前全世界專(zhuān)家還沒(méi)有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過(guò)程，都在研究當(dāng)中。

要解決這個(gè)問(wèn)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(duì)內(nèi)短路進(jìn)行安全預(yù)測(cè)，在沒(méi)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(lái)。具體而言，正常的一個(gè)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(shí)際上是一樣的，只不過(guò)正常單體、微短路的單體的參數(shù)發(fā)生了變化?？梢葬槍?duì)這些參數(shù)來(lái)進(jìn)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(fù)極上嵌入大量鋰離子，過(guò)充后，負(fù)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(huì)有過(guò)充保護(hù)策略，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到閾值時(shí)，就會(huì)關(guān)斷充電回路，對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)。雖然在出廠前，廠家針對(duì)BMS都會(huì)進(jìn)行一些列電性能測(cè)試，但是為了預(yù)防萬(wàn)一，還是不建議廣大用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間給電動(dòng)汽車(chē)充電，并且選擇正規(guī)的充電設(shè)備，消除過(guò)充隱患。

機(jī)械電氣誘因

碰撞是典型的機(jī)械觸發(fā)熱失控的一種方式，也就是汽車(chē)碰撞事故而引發(fā)電池受損。電池受損時(shí)也會(huì)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(jī)械受損一般是瞬間發(fā)生的，對(duì)應(yīng)實(shí)際生活中的突發(fā)事故，強(qiáng)烈的撞擊、翻車(chē)、擠壓都可以導(dǎo)致電池在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生機(jī)械損壞。

解決碰撞(機(jī)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(hù)設(shè)計(jì)。為此，歐陽(yáng)明高教授給出了四種設(shè)計(jì)路線：

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

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

3 防碰撞輕量化設(shè)計(jì)：防碰撞CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化;滿足強(qiáng)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(xiàng)鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)電池包進(jìn)行精確定位、鎖緊。

與會(huì)專(zhuān)家認(rèn)為，電動(dòng)汽車(chē)電池應(yīng)符合性能與安全相關(guān)要求，安全性測(cè)試驗(yàn)證要滿足熱測(cè)試(高溫危險(xiǎn)、熱穩(wěn)定、無(wú)熱管理循環(huán)、熱沖擊循環(huán)、被動(dòng)傳播電阻)，電性測(cè)試(短路、過(guò)充電和過(guò)放電)和機(jī)械性測(cè)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(dòng)力電池企業(yè)可以高枕無(wú)憂。安全無(wú)止境，提高電動(dòng)汽車(chē)安全性，還需要國(guó)家、科研機(jī)構(gòu)、動(dòng)力電池整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條等多方的共同努力。

在燃油汽車(chē)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(duì)于各類(lèi)事故，電動(dòng)汽車(chē)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(wèn)題與不足。同時(shí)也應(yīng)意識(shí)到消費(fèi)者對(duì)安全的要求是無(wú)止境的，要讓安全成為滿足一切功能的首要條件。