凌陽陽， 韋映竹， 李 彬， 黃祖朋， 邵 杰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心， 廣西 柳州 545007）

引言

電動汽車因其使用成本低、通行便利、場景多樣化等優(yōu)勢贏得眾多消費者的青睞，市場占有率不斷提高，產(chǎn)業(yè)化不斷加深。然而，即便目前電動汽車的各項技術(shù)逐漸成熟，但是動力電池的安全性仍然是電動汽車行業(yè)持續(xù)且無法回避的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，2016年至2020 年8 月電動汽車火災事故達135 起，事故原因大致為充電過程起火、碰撞起火、擱置起火、自燃、零部件老化等[1-2]。動力電池安全問題突出，對于電池廠、主機廠都是亟待解決的問題。

1 動力電池熱失控

熱失控是由于電池材料的熱分解而產(chǎn)生的。由于熱失控會散發(fā)出大量的熱量和氣體，從而引起電池著火和爆炸[3]。簡單來說，當電池的溫度達到一定程度，就會產(chǎn)生連鎖反應，表現(xiàn)為溫度急劇上升，溫度最高可達上千攝氏度，造成熱蔓延，進而演變?yōu)闊崾Э?、起火。電池熱失控一旦發(fā)生，對車輛用戶的財產(chǎn)以及生命安全都是較大的威脅，因此2020 年汽標委修訂的GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》要求電池包或系統(tǒng)在由于單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發(fā)生危險之前5 min，應提供一個熱事件報警信號。

2 動力電池熱失控誘因

2.1 機械濫用

機械誘因有碰撞、擠壓、針刺等，這些都會給電池形狀或者本體帶來損壞。實際使用過程中，車輛碰撞后動力電池失效的案例極少，但是對于一些動力電池布置在底盤且缺少動力電池保護板的車輛來說，如圖1 和圖2 所示，底部磕碰、尖物刺穿導致動力電池組進水、絕緣失效等引起動力電池失效的概率較大。

2.2 電濫用

電誘因有電池內(nèi)短路、過充電、過放電等。隨著動力電池相關(guān)技術(shù)逐漸成熟，目前一個功能正常的電池管理系統(tǒng)在大多數(shù)情況下都能夠?qū)崿F(xiàn)有效的充放電管理，避免電池功率濫用帶來的不可逆影響甚至熱失控。同時，為了預防電池過充，目前市場上的大部分快充樁已經(jīng)配置了SOC 達到限制值終止充電的功能。

2.3 熱誘因

熱誘因主要指電池過溫、熱量累積，導致電池出現(xiàn)熱失控。整個電池的熱失控，必然會伴隨熱誘因，所以機械濫用、電濫用和熱誘因三者互相關(guān)聯(lián)[4]。

2.4 電芯自身質(zhì)量問題

電芯自身質(zhì)量問題，如下頁圖3 所示，制造過程中混入金屬雜質(zhì)、極片毛刺、隔膜粉塵、電解液不均等，在電池后續(xù)使用的過程中有可能會出現(xiàn)內(nèi)部短路，由單個電芯失效導致整包的熱失控。2020 年10月28 日，國家市場監(jiān)督管理總局官網(wǎng)顯示，某車企向市場召回部分電動汽車，原因為電芯供應商在生產(chǎn)過程中混入了雜質(zhì)，導致動力電池產(chǎn)生異常析鋰。

3 熱失控抑制技術(shù)

通過剖析電池包熱失控的原因，從設計端盡可能做到有效預防熱失控以及控制熱失控。

3.1 電芯設計

鋰離子電池主要由正負極、隔膜、電解液等組成。電池內(nèi)短路指的就是正負極直接連接，形成放電回路，在電芯制造的過程中，需要嚴格管控極片毛刺、粉塵、金屬異物等，嚴格的生產(chǎn)管控可以有效避免因內(nèi)短路引起的熱失控。隔膜的安全性和熱穩(wěn)定性是由隔膜本身的性質(zhì)決定的，主要取決于其折斷溫度和破裂溫度兩個值，需要綜合該兩個值選擇合適的隔膜材料，避免溫度過高，隔膜收縮，造成短路。電解液方面，可以通過添加電解液添加劑如單甲氧基苯類，單甲氧基苯類，磷酸三甲酯，烷基磷酸鹽等，改善SEI 膜性能，保護正極活性物質(zhì)，提高過充安全性以及增強阻燃性等[5]。

3.2 模組設計

模組是由多個電芯串并連接形成的一個模塊。電芯需要工作在適宜的溫度，這就要求模組在熱量傳導方面，既要具備良好的熱傳導面，又要滿足隔熱的要求。如圖4 所示，通過在電芯之間增加隔熱材料，如氣凝膠、防火泡棉、云母片等，形成一堵防火墻，降低失效電芯與相鄰電芯的熱傳導效率，減小相鄰電芯次第失效風險，有效抑制熱失控的發(fā)生。

3.3 PACK 結(jié)構(gòu)設計

在PACK 結(jié)構(gòu)設計上，殼體、支撐件、連接附件的機械強度足夠，可以避免機械形變帶來的安全問題；采用均勻分布的結(jié)構(gòu)通道，通過泄壓閥設計，讓熱量分攤并順利排出，可以避免熱量累積出現(xiàn)起火甚至爆炸[6]；增加冷卻噴淋系統(tǒng)，當出現(xiàn)單只電芯失控時，迅速開啟噴淋系統(tǒng)降溫，也可起到延緩電池起火的時間[7]。此外，Pack 的防護性能要求達到IP67，從而避免因進水進塵導致短路而出現(xiàn)熱失控。

3.4 電池管理系統(tǒng)設計

基于電池管理系統(tǒng)設計的安全策略是一種主動的安全手段。主要作用是提前預警和主動檢測保護。提前預警分為車端提前預警熱失控和大數(shù)據(jù)提前預警風險電池。車端提前預警主要是通過BMS 持續(xù)檢測電池的單體電壓、溫度、氣體濃度、壓力等的變化，判斷電池包出現(xiàn)熱失控的可能性，并提前在車端提示用戶。大數(shù)據(jù)預警指的是利用車輛一段時間內(nèi)的運行數(shù)據(jù)，分析電池的健康情況，包括是否存在突然的內(nèi)阻增大、單體離群等，提前識別高風險電池，主動更換。主動檢測保護主要針對具備自動滅火裝置的動力電池，當電池管理系統(tǒng)識別到電池包存在熱失控時，主動開啟噴淋系統(tǒng)，對失效部位進行降溫處理，從而抑制熱失控。

4 結(jié)語

本文從理解動力電池熱失控的機理，明確誘因，系統(tǒng)地認識動力電池安全設計要素出發(fā)，淺談行業(yè)內(nèi)預防電池熱失控的關(guān)鍵技術(shù)，后續(xù)將會繼續(xù)進行相關(guān)設計驗證的研究，切實保障動力電池的安全。相信隨著電池技術(shù)的不斷成熟，消費者對動力電池的信賴也會不斷提高，電動汽車勢必成為未來出行的不二選擇。