围绕动力电池热失控问题(高温热失控为主),讨论影响电池安全性的各种因素,以及如何进一步提升锂离子电池安全性的技术手段与技术措施。清华大学欧阳明高教授在会上分析了动力电池热失控的三种诱因,并对此提出了一些解决方案及建议。
热诱因
通俗来讲,所谓的热诱因就是外部高温环境,包括外部起火、电池散热不良等。在外部高温下,由于锂离子电池结构的特性,SEI膜、电解液等会发生分解反应,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。
试验数据显示,当电池单体温度达到135℃时,隔膜开始融化,电压下降;150℃电池电压快速下降;等温度高达245℃时,隔膜完全崩溃,电池就会出现起火爆炸的现象。
对此,厂商可以从电池设计和BMS电池管理系统两个方面来解决。从电池设计角度,可以开发来防止热失控的材料,阻断热失控的反应;从电池管理角度,可以预测不同的温度范围,来定义不同的安全等级,从而进行分级报警。
现在市面上的电动汽车的动力电池都包含热管理系统,采用风冷或者水冷方案为电池散热。对于用户,要从使用习惯开始消除热诱因,比如避免阳光直射车辆、车内不要放置易燃物等,同时常备车载灭火器,消除自燃因素。此外,时刻关注仪表板或中控屏上的电池温度信息,一般来说电池单体的工作温度在40℃~50℃之间,高于或低于这个温度范围都是不利于电池使用的。
电化学诱因
电池制造杂质、金属颗粒、充放电膨胀的收缩、析锂等都有可能造成内短路。这种内短路是缓慢发生的,时间非常长,而且不知道它什么时候会出现热失控。若进行试验,无法重复验证。目前全世界专家还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程,都在研究当中。
要解决这个问题,首先提高制造工艺减少电池制造中的杂质。这就要选择产品品质好的电池厂商,其次对内短路进行安全预测,在没有发生热失控之前,要找到有内短路的单体。这意味着必须要找到单体的特征参数,可以先从一致性着手。电池是不一致的,内阻也是不一致的,只要找到中间有变异的单体,就可以将其辨别出来。具体而言,正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路,方程的形式实际上是一样的,只不过正常单体、微短路的单体的参数发生了变化。可以针对这些参数来进行研究,看其在内短路变化中的一些特征。
满电状态的电池负极上嵌入大量锂离子,过充后,负极片上产生析锂现象,出现针状的锂金属结晶,刺穿隔膜发生短路。在BMS电池管理系统中,都会有过充保护策略,当系统检测到电池电压达到阈值时,就会关断充电回路,对电池进行保护。虽然在出厂前,厂家针对BMS都会进行一些列电性能测试,但是为了预防万一,还是不建议广大用户长时间给电动汽车充电,并且选择正规的充电设备,消除过充隐患。
机械电气诱因
碰撞是典型的机械触发热失控的一种方式,也就是汽车碰撞事故而引发电池受损。电池受损时也会产生内短路而引发热失控,但是这种短路与电化学诱因引发的短路不同,机械受损一般是瞬间发生的,对应实际生活中的突发事故,强烈的撞击、翻车、挤压都可以导致电池在很短的时间内发生机械损坏。
解决碰撞(机械)触发热失控的办法就是做好电池的结构安全性保护设计。为此,欧阳明高教授给出了四种设计路线:
1组装结构设计:塑料框架支撑+钢带预紧的组装结构以及高强度骨架;
2可靠性设计:利用电池包隔振连接器减少震动磨损;弹性浮动板保证连接可靠性;IP67方式防尘设计;
3防碰撞轻量化设计:防碰撞CAE结构优化;满足强度要求的电池模组轻量化,方壳系统质量成组效率>90%;
4电池包定位锁紧技术:利用限位自锁及单项锁紧机构对电池包进行精确定位、锁紧。
与会专家认为,电动汽车电池应符合性能与安全相关要求,安全性测试验证要满足热测试(高温危险、热稳定、无热管理循环、热冲击循环、被动传播电阻),电性测试(短路、过充电和过放电)和机械性测试(冲击、掉落、穿刺、翻滚、浸入、压碎)的安全要求。但是,这并不意味着动力电池企业可以高枕无忧。安全无止境,提高电动汽车安全性,还需要国家、科研机构、动力电池整个产业链条等多方的共同努力。
在燃油汽车发展的一百多年历史中,也曾不断出现事故,遇到挫折是任何事情发展的规律。因此,对于各类事故,电动汽车各产业链不应止步不前,而应审视并完善自身存在的各种问题与不足。同时也应意识到消费者对安全的要求是无止境的,要让安全成为满足一切功能的首要条件。