车载锂离子电池热事故原因分析及设计对策

袁学飞　谷捷　毛子夏　王丽伟　刘琦

摘 要：针对车载锂离子动力电池组的特点和使用工况，对单体电池的热失控机理及车载锂离子动力电池组发生燃烧或爆炸等热事故的外在原因包进行分析与研究;最后，站到整车设計企业的视角，从电池箱的结构设计、电池组的热设计、BMS优化设计、整车匹配性设计及加强元器件及原材料的选型等方面提出避免电池组燃烧或爆炸的设计对策。关键词：锂离子电池;热事故;原因分析;设计对策中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）11-96-04

Abstract： According to the characteristics and operating conditions of the li-ion battery package for vehicle， the thermal runaway mechanism of the battery cell and the external causes of thermal accidents such as combustion or explosion of the li-ion battery package for vehicle are analyzed and studied. Finally， from the perspective of the vehicle design enterprise， the design measures to avoid the combustion or explosion of the battery package are put forward from the structure design of the battery box， the thermal design of the battery package， the BMS optimization design， the matching design of the vehicle and the selection of components and raw materials.Keywords： Li-ion battery; Thermal accident; Cause Analysis; Design measureCLC NO.： U469.7  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）11-96-04

前言

锂离子电池能量密度高、排放环保、循环寿命长、自放电率小，已成为新能源汽车动力电池应用的主流[1]。然而在使用过程中，频频发生锂离子动力电池的燃烧或爆炸等热事故，引起了政府、车企及行业其他人员的极大关注。提高动力电池的本质安全性，成为保障新能源汽车行业健康发展的关键因素之一。

针对车载锂离子动力电池组（后简称为“电池组”）的组成与特点，分析了单体电池的热失控机理;并根据车载电池组的使用工况，得出其发生热事故的外在原因;最后从整车设计企业的角度，提出避免电池组燃烧或爆炸的设计对策。

1 电池组的组成及特点

电池组的构成较为复杂，既有电池单体这类化学物体，也有复杂的电子电气系统和热管理系统，还有传统的各类机械部件。通常由电池单体、冷却系统、电池管理系统（BMS）、线束、外壳及结构件等构成。从电池单体到电池组是一个复杂的过程，如电池之间的连接、电池的固定、绝缘处理、防水、防尘、防爆设计等[2]。电池组具备以下特点。

（1）能量密度高：按照当前乘用车125Wh/kg的系统能量密度补贴标准，以一辆纯电动汽车装载300kg动力电池进行计算，总能量约为144 MJ，相当于32kg TNT炸药。

（2）输出功率大：为了满足整车的工作特性及效率要求，电池组的工作电压通常高达400V甚至更高，正常工作电流达到数十甚至数百安培，瞬时短路放电电流更是成倍增加。

（3）应用环境恶劣：在随车行驶过程中，电池组通常要经受高低温、腐蚀性气候、涉水、冲击、振动、跌落、甚至碰撞和翻滚的恶劣环境。

2 电池组热事故的原因

2.1 电池单体的工作原理

电池单体是电池组最基础的组成元素，通常由正极、负极、电解液及隔膜构成，结构示意图如图1所示[1]。

充电时，锂离子从正极脱出，经电解液穿过隔膜，嵌入负极，放电时则相反[3] ，其一般性的电化学反应可描述为式（1）。中间的隔膜允许锂离子在正、负极之间扩散，并对正、负极进行电气隔离。

关于锂离子电池材料的安全性，需要关注以下几方面：（1）正极材料是锂金属氧化物，热稳定性差，过充时容易发生“析氧反应”而产生氧气，以三元材料尤为凸显;（2）负极一般是嵌锂碳，过放时容易产生枝晶锂;（3）电解液多为碳酸酯类有机化合物的混合物，容易分解和氧化，着火点低，遇火极易燃烧;（4）隔膜多为微孔聚烯烃复合材料，熔点低，且高温下易收缩[3]。

2.2 电池的热失控机理

单体的隔膜起着正、负极之间的绝缘作用，一旦损坏将导致单体内部发生正、负极短路，从而大电流放电并产生大量的热。当热量累积到一定程度时将发生热失控，即温度进一步升高，正、负极之间的绝缘隔膜熔解，使内部短路更严重，产生更多的热量。温度的不断上升不仅会因达到反应物的着火点而发生燃烧，还会加速活性物质的反应而产生大量的气体，单体因内压急剧上升而引起爆炸。即使在正常的充、放电过程中，单体电解液中的活性物质也会由于发生化学和电化学反应而释放热量，使温度升高。如果单体中产生热量的速度大于散热速度，当热量蓄积到一定程度时也会发生热失控，导致燃烧或爆炸[3，4]。

电池组通常由成千上万个单体通过串、并联方式组合而成，在充、放电过程中，所有的单体都在同时工作和同时发热，势必产生大量的热量。当一只电池单体发生热失控时往往会发生熱蔓延，产生的热量会传递到其他单体并进一步蔓延，情况恶劣时将导致整个电池组发生燃烧或爆炸。

2.3 电池组热事故的外在原因

电动汽车的应用环境往往较为恶劣，其车载电池组燃烧或爆炸的外在原因很多，主要包括以下方面。

2.3.1 电池内短路

当电池组由于意外状况致使其中某些单体的绝缘隔膜损坏时，会导致正、负极短路。根据前述分析，这种内短路会导致电池组燃烧和爆炸;而且一旦发生严重内短路，将无法阻止控制，外部保险不起作用。如下工况可能发生电池内部短路：a.动力电池受到强烈挤压或被尖锐物体穿刺而遭受物理破坏;b. 正负极冗余度设计不足、电池低温充电、大倍率充电等因素导致负极析锂形成尖锐性的锂枝晶，刺破隔膜引起正、负极短路; c.生产过程中的电池单体筛选不足或工艺纪律执行不到位导致的内部短路或电池单体漏液。

2.3.2 电池外短路

如果电池组的正、负极发生外部短路，短时间产生的巨大热量将导致自身温度迅速上升，使电池正、负极之间的绝缘隔膜变形或损坏，从而转变为内短路[4]。电池外短路可能的情况包括：a. 汽车碰撞引起的电池变形;b.挤压、碰撞、跌落或强力冲击导致电池极片上的活性物质剥落或某些部位的接线或焊点等折断、脱落，从而引发电池组外短路[3];c.电池进水导致外部短路;d.操作失误导致电池的正、负极搭接;e.整车其它高压电器的短路;f.导体污染或维护期间的电击导致电池短路。

2.3.3 电池温度过高

如果电池组温度过高，将引发隔膜收缩熔化、电解质分解甚至负极集流体熔化等引发一系列副反应和热力学问题，发生燃烧或爆炸事故[3]。动力电池温度过高的工况很少独立存在，可能是下列几种情况的组合：a.自然环境温度高，如炎热的夏天;b.电池组散热不充分;c.电动汽车长时间大功率行驶;d.动力电池受到外部火源炙烤。

2.3.4 过度充放电

当电池组发生过充电时，电解质会被分解，而使得电池内部的温度与压力上升;当发生过放电时，负极集流体会熔化而发生内短路，使温度上升。这两种情况都会导致电池寿命缩短，严重时会发生燃烧或爆炸[2]。过度充放电可能的情况包括：a.充电机故障;b.电动汽车长时间大功率行驶或频繁的再生回馈制动。

2.3.5 BMS监控故障

BMS用来监控整个电池组及单体的工作状态，完成对充放电电流的控制，确保电池组安全运行并最大程度上发挥效能，兼顾整车性能要求和经济性指标。BMS的全部或部分功能一旦失效，电池组可能会由于得不到有效监控而工作在过充、过放、过热等非正常状态，产生热失控而导致燃烧或爆炸。BMS监控故障可能的情况包括：a.电压、电流或温度等关键传感器失效;b.线束故障;c.SOC估算故障;d.电磁兼容的抗电磁干扰能力不足，导致BMS通讯失效。

3 避免电池组热事故的设计对策

通过对电池组热事故的原因分析，避免其发生的关键在于避免电池损坏、内外部短路、温度过高、过度充放电和BMS故障，从整车设计企业的视角出发，设计对策主要包括以下方面。

3.1 电池箱的结构设计

电池箱是锂离子电池的重要保护装置，强壮的机械结构可有效保障动力电池免受挤压、穿刺和进水。

（1）加强电池箱的强度和刚度，确保能可靠支撑自身重量，而且还要适应多变运行环境和行驶工况下的可靠性要求，并采用有限元方法对电池箱结构疲劳寿命进行分析[5-6]。

（2）进行碰撞防护设计与分析，确保在碰撞过程中保持电池组的结构完整性。一般通过设计正面、后部和侧面等碰撞防护装置，吸收或分散碰撞产生的冲击能量，保护电池组免受挤压和穿刺[5]。

（3）进行密封防护设计，防护等级要达到IP67，避免车载电池组内部进水导致短路。

（4）电池组应在整车规定的边界和接口下进行设计，且满足电气元件的绝缘防护要求。

3.2 电池组的热设计

电池组在工作过程中会产生大量的热，必须对其进行热设计，这对保证电池的寿命和安全运行非常重要。热设计一般包括散热设计和热防护设计，二者的设计理念互逆，要考虑它们的使用工况及相互影响，综合应用。

3.2.1 散热设计

电池组需要合理的散热装置对工作过程中产生的热量进行疏散，有以下措施。

（1）均衡布置：在进行电池单体内部布局时，尽可能使电流密度均匀，尽量弱化电池内部自身温度不平衡的状态，确保使用过程中电池本体温度变化一致;

（2）冷却方式的选择：准确评估每块电池表面的发热量、温度和流速，选择科学、合理的冷却结构，使整个电池组的温度场得以均匀，以保证电池组使用过程中的环境一致性。常用的冷却方法包括使用气体、液体、冷冻剂或相变材料进行冷却[2]。

3.2.2 热防护设计

当一只电池单体发生热失控时会发生热蔓延，产生的大量热量会传递到其他单体，将导致整个电池组发生热失控，因此，需要通过热防护手段阻断热蔓延。常用的方法是在电池单体之间设置隔热层，阻断热量从热失控的单体向周围其他单体传播，避免整个电池组发生燃烧或爆炸[5]。

3.3 BMS优化设计

温度过高是电池组热失控的一个主要原因，BMS能够有效监测动力电池内部的温度及其它工作状态，并在温度超限时实行有效的散热，可有效避免燃烧或爆炸事故。因此，在电池组的材料确定之后，先进的BMS可有效保障电池组安全性。设计关键因素包括：

（1）严格控制保护参数和阀值并采用分级处理和保护，根据报警类别和等级采取相应的控制策略;通过总线报警、输出降功率、切断直流母线等措施，即可避免事态进一步扩大，又能避免对电池组造成致命损坏。

（2）合理布置电池组的各类传感器，准确反映其真实工作状态，使得BMS控制策略有效发挥。包括：a.监控电池组的工作温度，严格控制其工作在20℃-45℃之间，避免低温充电析锂及高温热失控;b.监控电池的充电状态，限制过充或欠充;c.监控电池组的绝缘指标及漏电情况，及早识别由于电池变形、漏液或其它情况下发生的绝缘失效。

（3）电池组均衡设计：确保电池单体之间的电压均衡，能有效提高电池组的安全性和整体性能，延长使用寿命。常用的充放电均衡方式包括：a.被动式均衡技术，是在单体电池上并联电阻，将能量高的电池的多余能量通过电阻消耗进行放热，直到该电池的状态与其它一致，此方法也称为能量耗散型均衡。这种方式结构简单可靠，成本低，缺点是效率较低且浪费动力电池的能量。b.主动式均衡技术，是能量转移技术，把能量多的电池的能量转移到能量少的电池。此方法因为没有能量损耗而得到广泛应用[2]。

（4）加强BMS的电磁兼容设计，提高抗干扰能力，避免导致BMS通讯失效带来的控制失效。

（5）实时有效的监测或评估电池组的荷电状态SOC、健康状态SOH、安全状态SOF、功率状态SOP等情况，保持电池组的安全运行，精确的状态估计，是动力电池恰当使用的前提。

3.4 整车的匹配性设计

加强电池组的安全性防护，绝非动力电池组本身的事情，整车设计企业应该与之进行协同设计。从整车设计的初始阶段，就开始规划电池组的规格和参数，牵引动力电池厂进行电池组的总体设计，并共同确定整车控制策略及BMS策略，搭建整车仿真模型。

3.4.1 整车的机械设计

综合评估和确定动力电池组在整车中的安装位置，保证周围有足够的变形缓冲区，确保即使发生车辆碰撞，也不易直接碰撞到动力电池表面。对动力电池组托架及连接件的结构进行强度校核，并留有足够的裕量。从整车设计的角度提高动力电池组的耐撞性，减小车辆在不同方向碰撞时对动力电池组的能量侵入量，最大程度的避免锂离子动力电池受到挤压和穿刺。Sibz W等从碰撞防护的角度研究了电池组在整车中的结构布局、设计约束及安装位置，经过仿真分析和实验研究，发现电池组安装在乘员座椅下方较合理，有利于增加载荷传递结构的强度并降低电池箱变形 [7-8]。

3.4.2 整车控制策略设计

整车控制器是BMS的指挥官，BMS的控制逻辑与整车的控制策略息息相关。在整车控制策略中设计完善的电池组保护功能可有效保障电池的安全，有以下关注点：

（1）综合分析整车的行驶工况及驾驶员意图，并根据控制逻辑制定合理的电池组使用条件及上、下电流程。

（2）与BMS协同，严格控制电池组保护参数和阀值，并采用分级保护机制。

（3）设计合理的能量管理控制策略和再生回馈制动逻辑，使能量得到有效和合理的利用，同时避免电池组发生过充现象。

3.4.3 远程监控与故障诊断

电动汽车驾驶员或使用者通常无法第一时间直接感知电池组的预警信息，也无法进行直接干涉，建立电池组的热事故预警机制十分必要。目前，各车企均搭建了自己的远程监控平台，用以监测企业车辆的运营状态。在远程监控平台中融入故障诊断策略和预警机制，通过实时监控电池组的状态信息及车辆其它零部件的综合参数，运用专家信息库对车辆信息进行综合分析和诊断，得出有关电池组的故障结论、预警信息及处理方式，以短信和邮件的形式及时通知到车企负责人、运行商管理者及驾驶员，使得电池组故障得以第一时间处理，避免事态进一步扩大。远程监控及故障诊断既可有效预防电池组热事故，也为产品研发和售后服务提供数据支撑。

3.5 元器件及原材料选型

电池组的内部元器件选型不合理或质量等级不足往往会导致安全隐患，如电池单体的关键材料、熔断器、关键监测传感器、功率控制开关或接插件一旦失效，会造成控制策略失效或危险回路不能及时切断等情况，导致电池组燃烧或爆炸。作为车载储能设备，电池组的单体应采用热稳定性高的电极活性材料和电解质并进行一致性筛选，BMS中的电子元器件应首选国内外知名企业的汽车级产品，其次为工业级。

4 结论

针对车载锂离子动力电池组的组成與特点，分析研究得出以下结论：单体电池的热失控机理为其绝缘隔膜损坏或自身化学反应产生的热量不能快速释放而发生单体内部短路;车载锂离子动力电池组发生热事故的外在原因包括电池内短路、外短路、电池温度过高、过度充放电和BMS监控故障;最后，站到整车设计企业的视角，从电池箱的结构设计、电池组的热设计、BMS优化设计、整车匹配性设计及加强元器件及原材料的选型等方面提出避免电池组燃烧或爆炸的设计对策。

参考文献

[1] （美）Christopher D.Rahn，Chao-Yang Wang.电池系统工程[M]，惠东，李建林，官亦标等译.北京，机械工业出版社：2014：14-15.

[2] 其鲁.电动汽车用锂离子二次电池（第二版）[M].北京，科学出版社，2013.

[3] 刘浩文.浅析影响锂离子电池安全性的主要因素[J].自然科学， 2018， 6（5）： 391-394.

[4] 黄彩霞，黄文，杨刚.电动汽车用锂离子电池组的爆炸原因与避免措施[J].电池，2018，48（1）：60-62.

[5] 王文伟，程雨婷，姜卫等.电动汽车电池箱结构随机振动疲劳分析[J].汽车工程学报，2016， （1）：10-14.

[6] 汤贵庭，张渝，杨平.基于正交试验的电动汽车电池箱结构优化[J].组合机床与自动化加工技术，2018（8）：60-63.

[7] 杨培善，白银.电动汽车电源管理系统研究[J].汽车实用技术，2019， 20：14-15.

[8] Sibz W，Breitfubc，Tomasch E，et al.Integration of a crash-worthy battery in a fully electric city bus[J]. International Journal of Crash -worthiness，2012，17（1）：105 -118.