淺談電動(dòng)汽車(chē)鋰電池的安全性保障措施

行業(yè)資訊|Industry News|

2023-01-06 07:53:47 562

在電動(dòng)汽車(chē)涉及的三大核心技術(shù)中心，電池、點(diǎn)機(jī)還有電控中，可以說(shuō)電池技術(shù)還有與之配套的相關(guān)的設(shè)施是人們普遍關(guān)心的問(wèn)題。無(wú)論是對(duì)于已經(jīng)使用了將近一個(gè)世紀(jì)的鉛酸電池還是目前人們普遍關(guān)注的鋰離子電池，相關(guān)從業(yè)者一直在探索其性能、安全與成本之間最佳的應(yīng)用方案。

IDM&MSZ

電動(dòng)汽車(chē)鋰電池安全隱患分析

電池過(guò)熱而造成的熱失控是鋰離子電池起火的主要原因，常發(fā)生在電池充電與放電的過(guò)程中。由于鋰離子本身具有一定的內(nèi)阻，在電能輸出保證電動(dòng)車(chē)能量供給的同時(shí)自身也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這種持續(xù)的熱量會(huì)使得鋰離子電池本身的溫度變高。鋰離子電池是由多個(gè)單體電芯構(gòu)成的整體，當(dāng)電池溫度處在持續(xù)升溫的狀態(tài)下，能量供給過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱能就聚集在狹小的電池箱體中，在超出其正常的工作溫度和承受極限時(shí)，便會(huì)嚴(yán)重?fù)p害鋰離子電池的使用壽命，甚至導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э仄鸹鸹虮ā?nbsp;

【 一、碰撞原因?qū)е碌臒崾Э?nbsp;】

電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生交通事故時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的碰撞，而強(qiáng)烈的外力因素也會(huì)同時(shí)作用到鋰離子電池，使得鋰離子電池箱體變形、破損，電池本身的配件被移位或損壞，電池的隔膜被撕裂導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，易燃的電解質(zhì)泄漏出來(lái)。在所有的碰撞傷害對(duì)電池性能產(chǎn)生的破壞中，最為嚴(yán)重的當(dāng)屬穿刺傷害，嚴(yán)重的穿刺傷害會(huì)直接插入電池本體，造成電池的正負(fù)極直接短路并加劇熱量集中生成爆發(fā)，引起發(fā)熱失控，嚴(yán)重破壞電池的正常性。

【 二、使用不當(dāng)導(dǎo)致的熱失控 】

使用不當(dāng)也是引起鋰離子電池?zé)崾Э氐闹饕颍唧w體現(xiàn)在充電過(guò)度、放電過(guò)度、外部短路等幾大原因。相較于外部短路和充電過(guò)度，放電過(guò)度對(duì)鋰離子電池的危害相對(duì)較小，放電過(guò)程中的銅枝晶增長(zhǎng)會(huì)降低電池的安全性，間接增加熱失控的幾率。外部短路時(shí)，電池的熱量不能有效散去，電池溫度升高并引發(fā)熱失控。充電過(guò)度是對(duì)鋰離子電池危害最大也是引起電池?zé)崾Э刈钪饕脑颍潆娺^(guò)度會(huì)造成過(guò)量的鋰嵌入，鋰枝晶在陽(yáng)極表面生長(zhǎng)，鋰的過(guò)度脫嵌導(dǎo)致陰極結(jié)構(gòu)因發(fā)熱和氧釋放而崩潰，氧氣的釋放會(huì)加速電解質(zhì)的分解，從而產(chǎn)生大量氣體，隨著內(nèi)部壓力的增加讓排氣閥打開(kāi)，電池開(kāi)始排氣。此時(shí)，電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸并發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，從而導(dǎo)致電池燃燒起火。

【 三、外部環(huán)境溫度過(guò)高導(dǎo)致的熱失控 】

外部環(huán)境溫度過(guò)高也是導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控事故的原因之一。當(dāng)外部環(huán)境過(guò)高時(shí)，鋰離子自身的散熱加劇并無(wú)法有效分散，內(nèi)外的熱壓力聚集導(dǎo)致鋰離子溫度控制系統(tǒng)被破壞，無(wú)法起到應(yīng)有的保護(hù)效果，從而造成短路引發(fā)熱失控。外部環(huán)境溫度過(guò)高的原因是多方面的，如電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)失靈、熱管理系統(tǒng)失效、外部碰撞導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)被擠壓和損壞等，這些因素都可能導(dǎo)致外部環(huán)境溫度過(guò)熱，進(jìn)而發(fā)生電池?zé)崾Э亍?nbsp;

鋰電池過(guò)度充電實(shí)驗(yàn)

電動(dòng)汽車(chē)鋰電池安全性的提升策略

提高電池的安全性能包括電池生產(chǎn)、電池材料和電池管理三個(gè)方面，電池生產(chǎn)主要是保證電池的一致性，材料包括正、負(fù)極、電解液、隔膜，電池安全管理系統(tǒng)包括電池內(nèi)部、外部等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

一致性要求

電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池的整體性能取決于電池組中性能最差的單體電池，因此，各單體電池的性能一致能最大程度確保發(fā)揮動(dòng)力電池的最佳性能。動(dòng)力電池的一致性包括容量一致性、內(nèi)阻一致性、電壓一致性。如果某個(gè)單體電池的初始容量大或者是小，那么在充電時(shí)該單體電池就很容易過(guò)充或者放電時(shí)最先過(guò)放，從而產(chǎn)生熱失控。同樣，內(nèi)阻的一致性和電壓的一致性，對(duì)動(dòng)力電池安全的影響巨大。

動(dòng)力電池材料性能

從動(dòng)力電池安全角度來(lái)講，動(dòng)力電池材料性能主要指材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性，其中尤以熱穩(wěn)定性最為突出。為防止熱失控的產(chǎn)生，研究人員通過(guò)不同方法來(lái)提高材料的熱穩(wěn)定性。對(duì)于電解液，可通過(guò)添加功能添加劑、用離子液體取代有機(jī)溶劑、選擇熱穩(wěn)定性好的鋰鹽、采用聚合物電解質(zhì)的方法提高熱穩(wěn)定性。正極與電解液反應(yīng)是熱失控的主要原因，選用 MgO/Al2O3/ZnO/SiO2/TiO2 等物質(zhì)對(duì)正極材料進(jìn)行表面包覆，可提高正極材料的安全性。中間相碳微球 (MCMB) 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較層狀石墨更好，隔膜在高溫下產(chǎn)生熱縮變形會(huì)增大微孔的尺寸，更有利于鋰離子的遷移，加快熱失控進(jìn)程。可通過(guò)熱穩(wěn)定性更好的隔膜替代，也可采用添加少量 Al2O3 或 SiO2 納米粉的隔膜，提高隔膜的熱穩(wěn)定性。

電池安全管理系統(tǒng)

汽車(chē)動(dòng)力電池最重要管理系統(tǒng)稱(chēng)為BMS，其作用是監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度、電量，防止電池過(guò)電流、過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫，一旦發(fā)現(xiàn)有這些情況的發(fā)生，就會(huì)中止充電進(jìn)程，或者切斷電池對(duì)外供電，一定程度上能降低發(fā)生熱失控的幾率。但對(duì)電池內(nèi)部短路，比如枝晶、針刺引起的內(nèi)部短路，以及已經(jīng)發(fā)生的熱失控，BMS無(wú)能為力。但是鋰離子電池在熱失控的早期階段會(huì)產(chǎn)生一定量的氣體，為熱失控預(yù)警提供了一種有效監(jiān)測(cè)方法。研究表明，氣體相對(duì)于溫度、電壓、爬電距離等參數(shù)具有更短的響應(yīng)時(shí)間。因此，通過(guò)產(chǎn)氣現(xiàn)象早期監(jiān)測(cè)鋰離子電池?zé)崾Э鼐哂兄匾囊豁?xiàng)安全預(yù)警措施。

慧聞科技自主研發(fā)的智能傳感器模組MSZ3005電池安全監(jiān)測(cè)模塊，可用于判斷當(dāng)前環(huán)境中的危險(xiǎn)氣體等級(jí)（CO，氫氣，DMC電解液等），可同時(shí)識(shí)別和檢測(cè)電池泄露的氣體含量，模組具有高靈敏度、高分辨率、低功耗的特點(diǎn)。同時(shí)也可以根據(jù)等級(jí)進(jìn)行高低報(bào)警，該模組的傳感器是不同材料體系組成的多通道氣體傳感器，使用特定的調(diào)理電路和精確地算法來(lái)判定當(dāng)前環(huán)境中三種危險(xiǎn)氣體的預(yù)警等級(jí)，對(duì)于電池組安全的早期預(yù)警有非常實(shí)用的意義。

此外還有改善散熱性能的方案，熱失控反應(yīng)鏈表明，如果電池產(chǎn)熱速度低于散熱速度，則溫度的自我強(qiáng)化循環(huán)就建立不起來(lái)，熱失控就不會(huì)產(chǎn)生。為此，有從業(yè)者研究了基于熱管冷卻的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)防止熱失控的性能，整個(gè)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)由電池組、隔熱板、熱管組、冷卻介質(zhì)組成。在兩相鄰單體電池之間放置熱管組或隔熱層，熱管組中的銅片襯于熱管和單體電池之間，以增大散熱面積，依靠熱管組中液體的相變吸熱完成冷卻作用，隔熱板置于兩相鄰單體電池之間，用于隔離相鄰單體電池之間的熱傳遞。通過(guò)優(yōu)化隔熱措施和冷卻方式可有效提高電池組工作溫度的穩(wěn)定性，阻斷熱失控傳播。

該結(jié)構(gòu)對(duì)降低熱失控的發(fā)生概率有一定作用，但效果有限，且加大了電池組的體積，增加了重量，目前這種方案還很難用于緊湊的汽車(chē)上，倒是在部分儲(chǔ)能系統(tǒng)中有應(yīng)用案例。

結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)鋰電池作為新能源汽車(chē)的主流動(dòng)力源，其安全、穩(wěn)定、可靠的性能是保證和加快新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要前提，也是實(shí)現(xiàn)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的重要途徑。因此，我們應(yīng)在各個(gè)方面不斷完善提升，切實(shí)提高動(dòng)力鋰電池的安全防控性能，更好地促進(jìn)新能源汽車(chē)行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。

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