新能源汽车用锂离子电池防火安全设计

李劲夫

（湖南财经工业职业技术学院，湖南衡阳，421000）

引言

为保证国家能源安全并有效降低碳排放量，我国将新能源汽车作为七大战略性产业之一。习近平总书记指出：发展新能源汽车是我国从汽车大国走向汽车强国的必由之路。在众多正面政策的鼓励下，中国新能源汽车市场一年一个大台阶。2016年50万辆、2017年80万辆、2018年将超100万辆以上，2020年规划为200万辆。在新能源汽车发展中，锂离子电池因能量密度高、自放电率低及寿命长等特点，成为新能源汽车的主要动力来源。然而由于锂离子电池内部的电解液是易燃液体，电极是可燃材料，锂电池在过充、短路、过热、穿刺或碰撞等情况下容易发生热失控，引发起火甚至爆炸，新能源汽车因电池热失控引发火灾的案例时有发生［1］。在某种程度上来说锂离子电池的防火安全对新能源汽车发展有着重大影响。

1 锂离子电池热失控

1.1 车用锂离子电池系统的组成

车用锂离子电池系统典型结构如图1所示。

图1 一种典型的电动汽车电池系统

其主要由以下几部分组成：动力电池系统ESS、交流感应电机Drive Unit、车载充电机Charger、高压配电盒HV Junction Box加热器PTC heater、空调压缩机A／C compressor、直流转换器DCDC。该电动汽车电机采用三相交流感应电机，并且将电机控制器、电机、以及传动箱集成于一体。

1.2 锂离子电池系统热失控分析

“热失控”是能量的正反馈循环：上升的温度使系统升温，系统变热，温度升高，这反过来使系统变热。

（1）在外部高温（外部火灾、电池散热不良）下，锂离子电池SEI膜、电解液等将被分解，分解的电解液会与正负电极发生反应，各种反应导致产生大量的热量，膜片熔化又会导致内部短路，电能的释放增加了热量的产生。这种累积和相互增强的破坏作用导致锂离子电池火灾的发生。

（2）电化学感应、电池制造杂质、金属颗粒、充放电收缩等，可能引起内部短路，这种内部短路往往发生得慢，耗时长，不知道什么时候会失控。

（3）机械碰撞是一种典型的热失控方式。汽车碰撞事故会造成电池损坏，当电池损坏时，内部短路将导致热失控，机械损伤通常是瞬间发生的［2-3］。

电动汽车电池的热失控问题是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。首先，动力电池的温度较低时，电池的可用容量将迅速发生衰减，在过低温度下（如低于0°C）对电池进行充电，则可能引发瞬间的电压过充现象，造成内部析锂并进而引发短路；其次，锂离子电池的热失控问题直接影响电池的安全性，生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热，并进而引起连锁放热反应，最终造成冒烟、起火甚至爆炸等严重的事件，威胁到车辆驾乘人员的生命安全；另外，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小，电池内部热量不易散出，更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题。

2 锂离子电池系统热失控的预警机理

2.1 锂离子电池系统热失控的检测机理

根据当前的知识，热失控的原因通常是由机械滥用和电滥用引起的大量的热量，有限的热扩散条件引起正负活性物质分解释放活性氧，进一步导致电解液的氧化分解，产生更多的热量，最终导致锂离子电池的热失控［4］。因此，对锂离子电池的安全性控制也主要是对其温度的监测。目前锂离子电池的温度监测大多只是对其表面温度的检测。但是由于锂离子电池结构的特点使得其在各个方向上热传导系数有很大的不同，传统的电池表面温度测量难以真实反映锂离子电池的内部温度，在电池组中，表面和内部之间的温差可能在几百摄氏度［5］。

2.2 一种新型锂离子电池系统的内部温度监控系统

本文介绍一种新型锂离子电池的内部温度测试结构，把热敏元件、正极片和负极片以卷绕的方式一起缠绕，在其上安装极耳。与现有技术相比，它是将薄膜密封的热敏元件放置在电池正极和负极的多个不同区域，电池在工作时可以根据热敏元件所显示的温度直接读取电池内部的电池温度。该结构简单可行，测试准确，其原理框图如图2所示。本结构是采用了热敏元件进行电池本身的温度检测，与电桥电路结合，将温度信号反映为电压信号。采用分压法由A／D采样读取热敏电阻的端电压，根据电阻—温度关系可计算出温度值。将热敏电阻安装在每个电池上，分时将不同电池上的热敏电阻接到A／D采样电路上进行温度采样，实现单体电池温度的巡检。

图2 锂离子电池内部温度测试原理框图

3 锂离子电池防火系统设计

想要对锂离子电池防火进行防火，依靠电池本身是无法做到完全杜绝隐患发生的，车辆在运行过程中由于电池过充、过热、短路、碰撞等因素以及电池制作过程中的缺陷都可能会导致动力电池热失控，从而引发安全事故，因此电池系统防火需要为电池箱额外搭载电池箱专用自动灭火装置，而电池箱专用自动灭火装置需要具备的技术条件是：第一可以预警，第二可以自动灭火。预警是后续自动灭火动作的前提和基础，如果预警不能在极早期发现，等到热失控扩展，电池箱起火，这时灭火的效果就会大打折扣；如果预警发生误报或漏报，就会导致灭火器误喷或不启动，灭火器误喷就会对电池箱内部造成损坏，影响整车运行和安全；灭火器不启动就会导致在热失控关键时刻不能有效介入，在初期阶段及时灭火，影响整车安全。如图3所示为一种新型电池箱专用自动灭火装置，它由电池模组、BITS主动安全系统、BIES被动安全系统、感温线缆、冷却系统、灭火系统、控制系统、CAN总线等组成。

图3 一种新型电池箱专用自动灭火装置

它的工作原理框图如图4所示。

图4 电池箱专用自动灭火装置原理框图

该电池箱专用自动灭火装置，使用高灵敏度的探测系统，探测电池箱动力电池内短路、过充过放、外短路导致的热失控所产生的温度等参数，判断是否出现热失控，通过控制系统实现分级预警并联动启动灭火装置。此专用自动灭火装置可以实现早期火灾感知、智能判断、提前干预并高效灭火。最大程度保护电动汽车和乘客司机的人身安全，为驾驶员及乘客疏散开辟出生命通道。

4 结束语

锂电池安全性是新能源汽车大规模推广应用过程中，各方最关注的焦点问题之一。动力电池系统安全事故发生之前，故障可能经历了长期的演化过程，也可以是突发情况破坏了动力电池系统，并导致安全性事故。在动力电池安全性问题上，最为核心的问题是锂离子动力电池的热失控。然而锂离子电池在过充、短路、过热、穿刺或碰撞等情况下容易发生热失控，新能源汽车因电池热失控引发火灾的案例时有发生，在某种程度上来说锂离子电池的防火安全对新能源汽车发展有着重大影响。因而设计锂离子电池防火系统意义重大。