新能源汽车锂电池热失控参数的提取及验证探究

摘要：新能源汽车在双碳背景下快速发展，但锂电池热失控限制了新能源汽车的大规模普及，为更好地抑制并控制热失控问题，需对热失控气体进行提取与验证。基于此，首先简单阐述了锂电池热失控危害，分析新能源汽车锂电池热失控的背景与演化，进一步从加热、过充两个方面组织试验，提取并验证新能源汽车锂电池热失控气体，旨在为后续新能源锂电池研发提供一定借鉴。

关键词：新能源汽车;锂电池;热失控参数

引言：新能源汽车项目是推动双碳战略的重要部分，但锂电池性能对新能源汽车的大规模推广应用产生了极大限制，该限制不仅体现在锂电池蓄电供电方面，还存在于热失控引发的火灾、爆炸方面，为推进新能源汽车发展，贯彻落实双碳战略，应重点针对锂电池现有不足展开针对性研究解决，相较于蓄电供电性能，热失控所引发的问题更为严重，为有效解决该问题，可将气体作为切入点展开分析。

一、锂电池热失控危害

“十四五”规划强调了绿色发展的新时代主题，注重生态保护，在全国两会中再次提出产业绿色转型发展的目标，对2030年碳达峰与2060年碳中和目标进一步阐述，指出生产总值能耗需于2030年降低13.5%，而二氧化碳排放量需于2030年降低18%[1]。在双碳战略驱动下，新能源相关产业快速发展，其中新能源汽车为新时代重要项目，锂电池因其使用寿命长、自放电率低、无记忆效应、能量密度高等特点而被应用到新能源汽车内，但随着锂电池在新能源汽车中的大规模应用，陆续发生了火灾、爆炸等安全事故，给高能量密度锂离子电池的应用提出了警醒。在《2020年电动汽车起火事故分析报告》中指出，在不完全统计的情况下，2020年新能源电动汽车发生的冒烟、自燃等事故共计124起，相较于2019年增加了四分之一[2]。冒烟、自燃、火灾、爆炸等安全事故的原因主要为锂电池的热失控问题，在热失控作用下，热量在锂电池内不断累积，使锂电池逐渐升温，该升温现象将带动锂电池电压、内阻的提高，使锂电池内部热量产生速度进一步增，继而使温度迅速超出限值，出现冒烟、自燃、火灾、爆炸等安全事故，损害新能源车体与锂电池结构，并会产生安全隐患，对新能源汽车的应用推广造成限制，不利于双碳战略的有效落实。

二、新能源汽车锂电池热失控的背景与演化

（一）热失控背景

锂电池在新能源汽车中的应用是新时代市场经济驱动发展的结果，同样也是绿色节能社会的主要表现，是汽车产业的未来趋势，热失控风险所产生的不可逆热源降低了锂电池的应用安全性，为促进新能源汽车发展，应重视锂电池热失控问题。在双碳背景下，针对新能源电动客车、电动汽车、动力蓄电池等相关产业发布了强制性标准，以政策标准为导向，使新能源相关产业指明未来发展方向。随着双碳战略的有效落实，新能源汽车产业发展迅速，其汽车保有量逐渐提升，新能源电动汽车基数扩大，这就意味着锂电池发生热失控现象的概率有所提高，若在未来产业发展中不加以控制，将会引发热失控事故，降低新能源汽车安全性。为避免锂电池热失控问题引发安全事故，应结合热失控特征进行早期预警，通过对热失控参数的提取验证，为热失控预警探测体系的构建提供依据。对当前锂电池热失控前提条件进行总结，主要包括外部加热、过充、过放、大电流充电、穿刺、挤压、外短路等，上述前提条件发生后，将会出现析锂、内短路，在锂电池内部发生电极-电解液反应、分解反应、电化学反应，通过上述反应产生大量热量，引发泄压、释放气体、烟雾、燃烧等的现象，继而出现热失控问题。

（二）热失控演化

锂电池在新能源汽车中的应用伴随着诸多充放电循环，在长期使用或恶劣条件作用下，将对锂电池产生不良反应，加速锂电池老化，逐渐出现内部析锂现象，嚴重降低新能源汽车锂电池安全性。热失控的产生通常是诸多不利因素逐渐累积的结果，在热失控不利因素长期积累演下出现安全事故，因此应用新能源汽车时，应做好保养工作，并定期检查车况，以此降低新能源汽车锂电池热失控风险。外部突发状况同样可促进锂电池热失控问题的产生，如车祸等，锂电池系统遭受外部冲击作用而损坏，继而引发热失控现象。当新能源汽车遭遇车祸后，锂电池受到突然性撞击而机械变形，在外力挤压作用下逐渐扭曲，继而发生锂电池位移，若突发状况严重，可能会有尖锐物品对锂电池造成穿刺，引发热失控。该类突发性事故难以预测，无法运用探测装置进行预警，此时需总结各类突发事故的特征，根据外部冲击对锂电池损伤情况，改变锂电池在新能源汽车中结构与布置，降低车祸等外部冲击对锂电池的影响，降低机械变形问题出现概率。

（三）热失控参数

锂电池受到内外部条件影响出现热失控现象时，同样伴有气体释放、泄压、烟雾等现象，热量之间累积产生高热火焰，新能源汽车中的锂电池同样设置在IP67外壳防护稳态环境中，当锂电池发生热失控现象后，相关参数将会呈现出稳态变化特征，出现可见烟、火焰、高热现象，热失控早期时，经气体探测器验证气体，根据气体浓度变化判断是否会发生热失控问题，此外运用感烟探测器、视频探测器了解锂电池可见烟情况，运用感光探测器、感温探测器分别确定火焰与高热温度，以此构建多层次化锂电池热失控预警体系。上述预警体系构建的关键在于锂电池热失控参数的提取，要求该参数能够代表并清晰呈现出锂电池热失控发展演化情况，且不会受到锂电池动力系统影响而出现错误信号，结合上述预警探测情况来看，早期预警的主要方式为气体，故在构建热失控预警体系时，应可将热失控气体作为关键参数，根据气体型号的提取优化气体探测器，以此更为精准地探测预警锂电池热失控问题。

三、提取新能源汽车热失控气体成分参数的验证试验

为良好提取锂电池热失控早期特征，将气体作为重要探测参数，通过气体参数等精准探测提高预警效果，继而提升新能源汽车安全性。在热失控引发因素中，加热与过充是引发气体变化的主要因素，以下将采取加热与过充两种方式进行热失控诱发验证试验。

（一）加热诱发失控

1.试验步骤

热失控诱发试验前，需准备IP67外壳防护的气体采集箱，该采集箱配备压力表一个，球阀两个。采用加热方式诱发锂电池热失控展开气体验证试验的步骤如下：（1）对试验所准备的气体采集箱进行全面清理，去除杂质。（2）准备两个加热片（功率300W），以加热片为热源展开加热诱导试验，在夹具帮助下，将加热片固定在磷酸铁锂电池（120Ah）表面，避免锂电池加热期间壳体膨胀变形导致加热片脱落，热量无法有效传递给锂电池而试验失败。（3）准备温度探测器两个，分别置于锂电池背面与加热片接触面，用于了解试验加热温度。（4）准备热失控参数探测器，将其安装至试验箱顶部，同时借助监控软件，便于对烟雾、气体、温度参数进行实时监测，将实测数据详细记录并存储。（5）完成上述准备后，将锂电池置于气体采集箱内，按照试验标准进行设置并关闭气体采集箱，关闭气体采集箱球阀，将采集箱门完全锁死。（6）准备摄像机，将其架设在试验场地，用于录制整个加热诱导热失控提取验证试验，在加热期间，需将传感探测装置采集到的相关数据进行记录，按照录像时间校准数据时间。（7）加热诱导开始后，发现锂电池防爆阀转为开启状态后，需将加热片电源关闭。（8）停止加热后将球阀打开，并启动取样泵，将气体排出，将采气袋与采样泵排气管衔接，开启采气袋阀门，以此采集热失控气体。（9）完成取气后依次关闭采样泵、采气袋阀门、箱体球阀。

2.参数判定

加热片对锂电池热失控进行加热诱发，在热量作用下，锂电池内部发生一系列反应，继而出现气体。对热失控气体参数进行判定分析，发现气体浓度随着热量的增加而表现出平滑增长趋势，待锂电池泄压阀开启后，气体浓度显著上升。因此，为保障锂电池热失控早期预警效果，可将某气体作为检测判定依据，要求该热失控气体并非空气主要成分，避免引起错误预警，为保障气体探测判定准确性，该热失控气体需被传感装置定量检测，打开防爆阀后该气体需产生明显浓度变化。

3.试验结论

结合上述参数判定要求选择热失控气体参数，最终将该气体选择为一氧化碳，通过对一氧化碳的气体探测展开热失控的早期预警[3]。在加热诱发试验中，主要采集到的气体包括氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙烷，其中氧气、氮气、二氧化碳的参数变化较小，且属于空气主要成分，无法予以直观判断，而乙烯、乙烷的探测装置成本较高，使用寿命短，不利于新能源锂电池热失控早期预警，而一氧化碳参数变化相对明显，且一氧化碳传感探测装置使用寿命长，成本较小，适用性较强，因此可将一氧化碳参数作为热失控预警参数，将传感探测预警与新能源汽车能源体系进行联动，一旦出现预警将自动切断电源，若锂电池正在充电，则会停止充电，若新能源汽车正在行驶，则会逐渐减速，并切断电源，以此提升新能源汽车安全性。

（二）过充诱发失控

1.试验方案

准备5V/120A的恒流充电设备，将其进行锂电池过充，通过过充提升锂电池温度，继而出现鼓包、发热现象，并出现可燃蒸汽、可燃气体，释放电解液[4]。在过充诱发热失控试验中，主要提取验证防火装置预警性能，通过设置为各类传感探测装置，监测箱内环境，并详细记录数据，绘制曲线图。

2.试验过程

锂电池运行温度需低于60℃，但通过过充试验验证后，发现因快充将锂电池表面温度提升至58℃时，传感探测装置所采集到的数据证明，当锂电池温度58℃时，一氧化碳浓度逐渐开始提升，且出现电池鼓包现象，当温度达到58.7℃时，发现一氧化碳浓度已达20ppm。待锂电池温度达到极限（60℃）时，温度传感器将自动发出警报，锂电池达到60℃后，一氧化碳浓度逐渐提升至300ppm。锂电池随着充电的继续进行而持续膨胀，同时电解液气体随着锂电池温度提升而不断生成的气体，待锂电池表面70℃时，对一氧化碳气体浓度进行验证，发现其浓度已达1000ppm。为了解不同温度下的一氧化碳浓度，明确引发锂电池热失控的过热温度，对不同温度条件的一氧化碳进行采集，发现电解液于78℃时快速喷出，锂电池表面温度达到86.7℃出现热失控问题，待表面温度持续上升至100℃时，锂电池具有爆炸隐患。在过充诱发热失控验证试验中，对气体样本进行综合分析，详细记录试验数据，为提升新能源汽车应用锂电池时，必须做好温度阈值设定与温度预警，并增设一氧化碳传感探测装置进行预警。

3.判定结论

通过上述过充试验，发现将锂电池温度警报阈值定为60℃较为科学，一旦发出温度预警后，应尽快进行解决处理，将锂电池判定为故障，同时注意观察一氧化碳浓度的变化情况，当预警发出后的13s一氧化碳浓度提升至300ppm，则意味着锂电池泄压阀已被打开，有电解液泄出。通过过充诱发热失控验证试验，能够进一步证明一氧化碳可作为热失控典型参数，可将一氧化碳浓度升高作为热失控前兆，以此更便于进行热失控预防预警，使新能源汽车锂电池热失控预警体系更为完整可靠。

（三）两种试验总结

采用加热与快充两种形式诱发锂电池热失控，发现气体参数在热失控期间出现较大变化，呈增长态势，经综合分析后，将一氧化碳作为锂电池热失控典型参数，一氧化碳并非大气主要成分，故避免了错误预警问题，同时待热失控导致防爆阀打开后，一氧化碳浓度将出现显著变化，便于参数采集。一氧化碳气体传感探测装置现已研发成熟，此时可借助一氧化碳气体传感探测装置进行热失控早期预警，以此降低热失控事故发生率，推动新能源汽车的可持续发展。

结束语：综上所述，锂电池热失控的危害较大，为避免锂电池热失控造成火灾、爆炸事故，结合两次热失控气体提取验证试验，发现一氧化碳在锂电池热失控期间出现了明显的浓度变化，在后续锂电池研发中，可运用一氧化碳浓度探测装置，对锂电池热失控进行防控预警，避免出现火灾、爆炸事故，为新能源汽车的推广应用创造安全环境，以此有效推动双碳战略。

参考文献：

[1]窦文娟，王栋，王正超等.三元锂离子电池高温诱导热失控试验研究[J].青岛大学学报（工程技术版），2021，36（04）：1-7.

[2]牛志遠，王怀铷，金阳等.不同倍率下磷酸铁锂电池模组过充热失控特性研究[J].电力工程技术，2021，40（04）：167-174.

[3]徐傲.新能源汽车锂动力电池热状态仿真和热失控分析[D].山东大学，2021.

[4]孙锟.车载Li电池组热过程强化技术研究[D].北京化工大学，2020.

作者简介：冯毅（1983年7月），男，湖北武汉人，汉族，本科，助讲，主要从事汽车电器方向研究。