锂离子电池成组安全技术研究进展

胡棋威，彭元亭，李文斌

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

锂离子电池与其它传统二次电池相比具有比能高、功率性能出色等优势。因而，锂离子电池不仅在电子消费产品领域成熟应用，还逐渐拓展于新能源汽车、电动游船及储能领域。随着锂离子电池逐渐拓展到高能量、高功率要求的应用领域，锂离子电池的大规模成组使用成为其发展的必然趋势。

然而，安全性问题则是锂离子电池大规模应用的重要阻碍之一。因为材料体系及结构特点，锂离子电池在过温、过充或短路的条件下，会诱发电池内部发生一系列放热反应，致使电池温度升高，高温则会进一步加快放热反应速率，导致电池放热和温升两方面呈相互促进的失控状态，即“热失控”，最终导致电池出现燃烧，甚至爆炸等安全事故[1]。因而，一定程度上可以说安全问题是锂离子电池的固有问题。锂离子电池单独或小规模串并联使用时，其安全问题基本可以得到控制，但当锂离子电池大规模成组使用时其安全问题则会较为凸显，主要体现在以下几个方面。首先，电池组内个别单体发生“热失控”，可能会在电池组内连锁传播，导致整个电池组发生非常严重的燃烧、爆炸事故；其次，锂离子电池组大功率的使用特点导致发热量巨大，同时大量单体的紧密堆积使电池组散热更加困难[2]，因而电池组容易因为温度过高而带来安全隐患；最后，锂离子电池成组使用时，由于单体数量多，结构复杂，单体的一致性筛选匹配及一致性管理问题更为困难，这使得电池组内“短板”电池容易过度老化，从而在使用过程中更易发生安全事故[3]。

因而，对解决锂离子电池组的安全问题而言，在提高电池单体安全性的同时，从电池组系统角度入手，强化锂离子电池成组安全技术也显得非常必要而急迫。本文从电池组管理、冷却、安全结构、应急安全技术等方面概述锂离子电池成组安全技术的重要意义及研究进展。

1 锂离子动力电池组管理系统

锂离子电池组管理系统（Battery Management System BMS）一般具有参数监测、故障判断、报警与处理、充放电控制、均衡、人机交互等功能，不仅能维持电池组高效长寿运行，还能保证电池组安全可靠运行。BMS与安全最为密切的是参数监测技术与均衡技术。参数监测技术通过监测电池组及单体的状态参数，从而判断是否出现安全隐患，为 BMS的安全保护功能提供依据。而均衡技术通过电能消耗及转移的方式以保证电池组在充放电过程中单体工作状态的一致性，从而防止电池组内个别单体出现过充放及加速老化等安全隐患。

1.1 参数监测技术

早期参数监测技术主要通过监测电池组内部单体的表面温度、电压、电流等参数，来判断电池组安全状态。但单纯监测上述参数不能及时全面的反映电池组的安全状态。Mutyala[4]等使用弹性薄膜热电偶植入单体内部，实现内部温度的原位测量，使 BMS对单体过温响应更迅速。文献[5]中通过对烟雾火焰、碰撞的监测，使 BMS在电池组中出现烟雾火焰时，或电池组遭受严重碰撞时，迅速采取相应措施。文献[6]通过预测电池组中各单体健康状态（State of Health，SOH），并告之用户各单体健康状态，以提前更换寿命终结的单体，避免老化单体带来的潜在危险。

1.2 均衡

传统均衡技术一般以电池组内各单体电压作为均衡判断依据。该均衡技术结构简单，易于实现，但是电压并不能真实反映电池组容量状态的一致性[7]，电压均衡的稳定性和一致性也并不理想[8]。文献[8]，[9]分别使用开路电压SOC算法和扩展卡尔曼滤波 SOC算法，以各单体SOC作为均衡判断依据，对锂离子电池组进行均衡，避免了上述问题，并减少了由放电深度的不同而导致的电池老化速度差异，从而更有效的改善电池组不一致性问题[7]，减少了一致性带来的安全隐患。

传统均衡技术一般使用耗散型均衡电路，该均衡技术将电池组内除电量最低电池外所有电池的电量通过旁路电阻消耗掉，会带来热量积累问题，对大型电池组安全性存在影响[10]。文献[11],[12]使用电量转移型均衡电路，用电容、电感以及开关等元件，采取常见的电源变换电路，实现单体间或单体-电池组间的电量转移；元件储存能量和单体电量间的转换，极大减少了均衡产热，不仅能量流向更自由，更加节能，还有着更好的安全性。

2 锂离子电池组冷却技术

锂离子电池在充放电过程中，持续产生电化学热和焦耳热等[13]。而电池组结构复杂，大量单体的产热积累会造成局部过热或温度不均匀，进而容易导致热失控或电池一致性变差诱发安全问题。电池组冷却技术，一方面可以使电池组在安全的温度范围内工作，防止“热失控”的发生和传播[14]；另一方面，通过减小电池组的温差可以减缓组内单体的一致性差异的扩大，增强电池组的安全性[15]。因而，增强冷却技术的冷却效果和冷却的温度均匀性，都能更好的保障电池组安全。目前锂离子电池组常见的冷却技术包括：空气冷却、液体冷却和相变材料（Phase Change Material，PCM）冷却。

2.1 空气冷却

空气冷却使用风扇等设备带动气体流经电池组对其进行冷却。许多电动汽车，如丰田Prius和 Enerl的Think City都采用这种散热方式来增强车内锂离子电池组的安全性。空气冷却虽然是目前最为成熟、简单的冷却方式，但空气冷却的冷却效果和冷却温度均匀性都较差，难以在复杂工况下维持电池组温度和温度均匀度在安全范围内[16]。

2.4.1种子种苗良莠不齐种子种苗是保障中药材原材料品质的重要源头，而镇内良种繁育基地仅有1个覆盆子快繁基地，建设规模小，无标准化，也鲜有种植户或科研机构进行品种选育，中药材的种子种苗几乎都是来源于其他地区或是当地野生资源的人工驯化，有的农户甚至直接将野生植株移栽到自家场地中，形成一个场内有多种资源存在，导致中药材质量良莠不齐。

为了增强空气冷却的冷却效果，丰田Prius使用车厢空调降低冷却介质温度，使接触电池的循环空气温度更低。Enerl的Think City和文献[17]则分别采用铝制导热槽和泡沫状铝板增加电池与空气的换热面积来增强冷却效果。

针对空气冷却温度分布不均匀的问题，Mahamud[28]等设计了一种往复式的空冷方案，通过定时改变空气循环方向，当周期为120 s时，比相同条件下正常空冷下单体间最大温差减小了72%。Pesaran等[19]则建议将冷却空气流道由传统平行于电池排列方向替换为垂直于电池排列方向，以减小单体离入风口距离的不同所带来的较大温差。另外，文献[20]和[21]通过在磷酸铁锂电池组的冷却风道中安放起导流和调节流速作用障碍物，来改善电池组温度一致性。

2.2 液体冷却

液体冷却通常将装载循环液体的管道安装在电池模块间；或把模块直接放置在液体中，用循环液吸收电池热量，再通过制冷设备、风扇或自然对流，将循环液热量吸收。液体冷却的冷却效果和冷却温度的均匀性均优于空气冷却，因而部分厂家开始液体冷却来代替空气冷，如特斯拉的Model S和通用Volt两款电动汽车均采用液体冷却控制电池组温度[3]。

目前，液体冷却的主要问题包括：管道制约了电池与冷却液体间的换热效率，影响了冷却效果；若冷却液泄漏，可能导致安全事故[22]；复杂的管道、泵、风扇、甚至用于制冷的压缩机等笨重辅件增加了系统复杂度，降低了系统可靠性。

针对管道对换热的制约问题，GM的 Volt将冷却管道制成厚度仅1 mm的散热片形状，以增强冷却介质与电池间的传热，强化了液冷冷却效果，增强了电池组安全性[3]。

为了降低液体冷却复杂性，文献[24]将冷却液封闭在热管中，通过液体热端蒸发-冷端凝结过程，将电池热量带走，从而不需要泵、压缩机等笨重辅件，使液体冷却系统更为简洁，可靠性更高。

2.3 PCM冷却技术

Al-Hallaj等于2000年首次将PCM冷却作为锂离子动力电池组冷却方案[25]。目前用于锂离子电池冷却的 PCM 有石蜡、脂肪酸、水合盐等。PCM冷却将电池组浸入PCM中，由于PCM具有巨大相变潜热，因而能在其相变过程吸收大量热量，并保持自身温度不变，以控制电池组温度及温差，避免电池组局部温度过高引发热失控。由于PCM冷却不需要电气结构、流道结构，因而系统构造简单，可靠度高，系统安全性较高。

PCM 冷却的优势在于维持电池组温度的均一性，但是 PCM 通常热导率极低，制约了PCM的冷却效果[26]。因而，PCM冷却的研究集中在冷却效果的提升上。另外，PCM冷却依靠非放电期间释放 PCM 吸收的热量，若遇到连续的快速大功率充放电时，存在 PCM 潜热耗尽，冷却能力极大降低的安全隐患[25]。

文献[27],[28],[29]通过在PCM中增加导热剂、金属散热翅或用高导热多孔材料如泡沫金属或膨胀石墨矩阵来吸收 PCM，以增加 PCM导热系数，改善PCM冷却效果。文献[14]研究了石墨增强导热后的 PCM 冷却的锂离子电池组在热滥用条件下的安全性，发现冷却下阻止了原本会发生的热失控传播现象。

文献推荐将 PCM 冷却和空气冷却耦合使用，这样既能得到优于空气冷却的冷却效果和温度均一性，又能避免潜热耗尽的安全隐患。Javani等发现将电池组浸入PCM（十八烷）中后再使用液冷冷却PCM，既避免了PCM潜热耗尽，还比单独液冷的冷却效果更好。

3 安全结构技术

安全结构技术通过控制热失控单体所产生的热量、危险喷射物质等危险的因素的传播，来降低安全事故造成的危害，实现对整个电池组的安全保护。

3.1 热、冲击传播阻断结构设计

Tesla公司在其汽车锂离子电池组的专利中设计了一种由隔热材料和弹性材料复合制成的隔离板，放置于电池模块不同列单体之间，以此来减少热失控时，单体间热量的传播，并吸收爆炸冲击力，实现热、冲击的阻断。Berdichevsky等在电池外部增加导热板材来强化电池与冷却介质间的传热，并将绝热阻燃板材和反射辐射的金属板放置于不同电池层之间，通过降低不同电池层间的热传导和热辐射来阻断热失控时热量的传播。Rawlinson在锂离子电池包中设计了多个装载液体或高熔点低导热系数的材料的空心横梁，不仅将电池包分割成多个组，延缓了各组之间热失控传播速度，还能将侧面冲击力均匀分布到横梁，吸收冲击能量。

3.2 阀泄通道设计

合理的阀泄通道设计能隔离火焰、高温喷射物质，避免直接加热单体。Chow为电池组中每个单体设计了独有的阀泄通道，避免阀泄物质直接加热其它单体。Hore等在专利中设计的电池组能在检测到单体安全阀打开时，喷射CO2驱逐阀泄气体，使之稀释、降温，并沿预设通道排出电池组，抑制危险在电池组内扩散。

3.3 电器结构设计

熔断器能在单体电流过大时永久切断电路，为电池组提供不可逆的一次保护。正温度系数电阻在温度升高后，电阻随之上升，以降低流过的电流，减小焦耳热，为电池组提供可逆的自动断流保护。

这类技术应用很广泛，如美国 TESLA汽车的锂离子动力电池组的每只电池内均装有PTC电阻，每只电池两端均连接保险丝，而且每一个电池模块还设有主保险丝，用以保护电池组安全。Spitzer等使用 8×12 个SONY18650HC电池组成电池模块，测试了滥用条件下PTC对电流的作用，发现短路后2秒内PTC将电流从40 A降到10 A，另一组测试中，电流从2 s内从55 A降到10 A。

4 应急安全技术

应急安全技术在探测到部分单体热失控时，通过主动喷射出惰性气体/制冷剂，直接扑灭火焰，冷却电池，从而为整个电池组安全提供保障。

Cittanova等提出一种惰性气体喷射灭火的设计，通过在锂离子电池组中增加装载有二氧化碳或者氮气与氩气的混合物的罐体，在探测到异常情况时，使这些高压惰性气体喷射到电池周围，驱逐可燃气体和氧气，并带走一定热量，对火焰和热量传播有一定抑制作用。Norden等在这种惰性气体阻燃方案的基础上，在锂离子电池组中额外增加吸收了液体的分子筛，当电池温度过高时，不仅会喷射惰性气体，分子筛中的液体还会气化吸热，以控制火焰，冷却电池。进一步的，Bandhauer等在专利中提出一种冷却液喷射灭火的锂离子电池组设计。正常使用时，制冷剂以高压液态形式储存在罐中，当 BMS检测到出现热失控等紧急情况时，高压制冷剂（R-123）从预设管道喷出，扑灭火焰、在失控电池表面气化，吸收大量热量，并稀释可燃电解液，从而扑灭火焰，迅速冷却电池，保护整个电池组安全。

5 结论

锂离子动力电池 BMS通过充放电控制、均衡，并监测电池组参数，从而实现了对电池组安全问题的预防及安全保障。并且随着BMS技术逐渐成熟，BMS对安全隐患判断的准确性和全面性全面提升，对单体一致性问题改善更加有效，均衡电路热问题逐渐解决。

冷却技术一方面保证电池组在安全的温度范围内工作，防止“热失控”的发生和传播；另一方面减小电池组的温差，减缓组内单体的一致性差异的扩大，增强电池组的安全性。液体冷却从冷却效果和冷却温度均一性来说，安全性最高，适合大型电池组。空气冷却结构简单，但冷却效果、温度均一性较差；PCM冷却温度均一性好，冷却效果适中，能在工况较温和情况下保证小型电池组安全。未来，多种冷却方式耦合使用具有较好前景。

安全结构技术通过阻止已失控单体所产生的热冲击、喷射物质等危险因素的传播，来达到控制、阻断安全事故的形成和扩散。应急技术在电池组出现燃烧爆炸时，主动扑灭火焰。但这两类技术处于专利概念阶段，需要进一步开展相关研究工作。

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