动力锂电池热失控预警及控制

方谊茂++严永利++邓立波++陈适会++刘伟++赵建帮++白树立

[摘 要]随着电动客车的大量应用，燃烧和爆炸事故也呈高发态势。其原因大多与动力电池热失控有极大的关系。为保障电动汽车的安全使用，进行动力电池热失控机理和预警及控制方法的研究，已成为当务之急。为了达到安全的目的，广大从业者需进行技术创新，采取一系列技术措施才能达到相关安全标准，其中对热失控机理及防控技术的研究是重中之重。锂电池的热失控，绝大多数表现为燃烧。随着各类安全措施的加强，如阻燃材料、贫液电芯、阻燃电解液、熔断丝、焊接连接方式、组成方式等动力电池系统安全技术的应用，蓄电池热失控的概率有所降低，但尚无法达到“安全出行”的要求。本文从现状出发，介绍了锂电池热失控的机理及预警控制方法，为行业同仁在进行动力锂电池安全设计时提供一种可行的思路。

[关键词]锂电池，热失控，预警，控制

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）31-0128-01

1 锂离子电池热失控的机理

热失控，指的是单体蓄电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。热失控扩展，是指蓄电池包或系统内部的单体蓄电池或单体蓄电池单元热失控，并触发该蓄电池系统中相邻或其他部位蓄电池的热失控的现象。

引起动力锂电池热失控的因素主要有外部短路、外部高温和内部短路。

外部短路，实际车辆运行中发生危险的概率较低，一是整车系统中装有熔断器和BMS；二是电池本身可以承受短时间的大电流冲击。极限情况下，短路点越过整车熔断器，较长时间的外部短路一般会导致电路中的连接薄弱点烧毁，很少导致电池发生热失控事件。现在，较多的动力电池系统企业采用回路中加装熔断丝的做法，能有效地避免外短路引发的危害。

外部高温，由于锂离子电池结构的特性，高温下SEI膜、电解液、EC等会发生分解反应，电解液的分解物还会与正极、负极发生反应，电芯隔膜将融化分解，多种反应导致大量热量的产生。隔膜融化导致内部短路，电能量的释放又增大了热量的生产。这种累积的互相增强的破坏作用，其后果是导致电芯防爆膜破裂，电解液喷出，发生燃烧起火。

三元系电池相比磷酸铁锂电池，正极材料易发生分解反应，释氧。从而更快的发生热失控。

磷酸铁锂的橄榄石结构带来的是高温稳定性。在熱失控的化学反应中，在电解液喷出前大量发生的是分解反应，而非氧化反应，产生气体少且慢，鼓包胀气而非剧烈燃烧，这正是磷酸铁锂相对安全的原理。磷酸铁锂相对安全，但并不意味着磷酸铁锂不发生热失控，不发生燃烧。磷酸铁锂燃烧的主要原因是，热失控导致防爆膜破裂，继而电解液喷出。在此时高温的环境中，快速达到电解液的燃点，电解液燃烧，继而引燃电芯包裹材料等其他可燃物，进而加剧热量的散发，导致其他电芯发生热失控连锁反应。易燃物燃烧的过程中，热失控电芯持续发生反应放热。锰酸锂的尖晶石结构具有相似的稳定性，也属于相对安全的正极材料。

内短路，由于电池的滥用，如过充过放导致的支晶、电池生产过程中的杂质灰尘、使用环境导致的热变形等，将恶化生长导致隔膜被刺穿，产生微短路，电能量的释放导致温升，温升带来的材料化学反应又扩大了短路途径，形成了更大的短路电流。形成了累积的互相增强的破坏，导致热失控。

需要说明的是，大多数电池火灾，首先是内短路引发的，其热量和温度对相邻电池形成了“外部高温环境”，引发相邻电池热失控，导致整个电池系统的连锁反应。

2 应对措施

由机理可以看出，热失控是热量聚集引发的，且由互相叠加而加剧。若能提高散热效果，并且采取某种措施斩断“互相叠加”，从而将电池温度控制在一定范围内，则会出现一款安全的电池。业内为此进行了不懈的努力，且初见成效，如良好的热管理设计、内部短路器等。

另一个思路，在模组或pack成组技术上进行技术创新，侧面达到“本质安全”的效果。“本质安全”有两层含义：一是最小能量单元的能量限制为：若万一发生燃烧爆炸，不足以产生损伤性后果，属可接受风险；二是成组后，一个能量单元若发生燃烧爆炸，其能量不会引起其他单元连锁燃烧爆炸，属孤立可接受事件。

锂电池热失控问题的防控，是系统工程，是多种技术措施共同作用的结果。热失控防控，应秉持预防为主，灭火为辅的设计理念。动力电池是储能单元，其火灾是由内存的电能和化学能转化而来，电能和化学能消耗未尽时，其热量处于持续释放阶段，特别是发展后热失控扩展阶段，灭火效果极为有限。尤其是三元电池，电池火灾发展极为迅猛，且本身释氧，火势发展起来后基本无法扑灭。但采用一定的针对性方法，可抑制火灾的蔓延。

除了明火阶段的灭火，热失控阶段的控制显得尤为重要，如阻燃材料的使用、电解液中阻燃剂的添加、热失控阶段阶段电池的使用策略、热管理措施等。这些措施的目的是保障电池的状态不再持续恶化。

更为重要的是，发展早期预警技术。能监测电池的生命健康状态是我们的远期目标，目前的技术能市场化的最早检测阶段是单体电芯防爆膜爆开的阶段，此阶段的有效预警和控制能避免更大灾难的形成，底线是保障生命安全。

3 预警系统选择方法

3.1 合规性

合规性指的是符合国家相关法规、标准。目前，交通运输行业相关标准中“动力电池箱专业自动灭火装置”的相关试验要求是：电池内短路导致的火焰燃烧60s后再进行灭火，用于检验灭火效果。如10min后无复燃现象，则判定灭火成功。

根据试验结果分析，在合适的时机启动灭火装置，对磷酸铁锂而言，大部分的灭火是可以成功的。

3.2 可靠性

可靠性指的是系统本身的可靠性，不能误报、漏报，不能误动、拒动，不能引发灾害和二次伤害，不能破坏电池包防护，电子设备应符合汽车级电子设备最高安全等级标准。系统要有可靠逻辑，确保正常工作和自检报警，要考虑到意外状况下的可靠性策略，还应具备使用过程中至少一次的检验功能。endprint

设备靠靠性主要考虑以下几个方面：

1） 多传感器融合技术。

2） 预警模型可靠性。

3） 系统架构可靠性。

4） 通过国家第三方权威检测机构可靠性检测是保障系统可靠性的有效途径。

3.3 便捷性

便捷性指的是方便安装于汽车实际工况使用。商用车、乘用车和专用车的安装方式不尽相同，预警系统应能适应这些不同的安装环境，尽量简化动力电池系统企业和整车企业的安装、维护难度。

3.4 智能化

智能化指的是系统能与整车进行通信，使得整车获得实时信息：预警系统也能获知BMS的实时信息，用于增强热失控判定的准确性和及时性。准确的热失控预警及热失控阶段的判断，可以有效用于指导乘客驾驶行为，保障成员安全。

预警系统与BMS既有区别又有联系，严格地讲，预警应该算作BMS的一个必要功能，BMS与热失控预警系统有融合的趨势。总之，智能化是必然的诉求，也是必然的结果。

4 结论

本文从锂电池系统热失控的机理入手、对锂电池的热失控知识和应对措施进行了介绍，并深入分析了预警系统选择的方法，为锂电池热失控的应对措施以及预警系统的选择提供了思路和方法，对于锂电池研发从业者具有参考意义。

参考文献

[1] 王芳、夏军等.电动汽车动力电池系统安全分析与设计[M].北京：科学出版社，2016.

[2] EN 1987-1.Electrically propelled road vehicles-Specific requirements for safety-Part 1：On board energy storage[S].1997.

[3] GB/T 31467.3.电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分：安全性要求与测试方法[S].2015.

作者简介

1） 方谊茂，男，扬州大学物理学院硕士生导师，硕士，正高级技师，高级工程师。研究方向：新能源汽车。主持的“增程式电动汽车”获江苏省重大科技创新项目；“车载充电机和车载DC一体化集成”项目，获浙江省科技厅重大科技项目，获新能源汽车领域16项专利。

2）严永利，男，硕士，工程师，研究方向：新能源汽车。

通讯地址

河北省邢台市清河县挥公大道河北御捷车业有限公司研究院 新能源动力电气部。endprint