鋰離子電池

電動車頻繁起火，電池熱失控及熱管理很重要！

第一電動大牛作者電動知家 2019-05-20 09:22

近日特斯拉、蔚來汽車再次發生自燃事故。

據外媒報道，當地時間5月14日，一輛特斯拉電動車在香港一家購物中心的停車場再次發生自燃，幸運地是無人受傷，目前還不清楚車輛自燃原因。

5月16日18時16分，位于上海市嘉定區安禮路附近一處居民樓地下車庫中的一臺蔚來ES8電動車發生自燃冒煙情況，消防官兵第一時間趕到現場及時將煙霧撲滅，現場未出現人身和其他財物損失。車輛出現煙霧原因未明。

近期特斯拉、蔚來、榮威、比亞迪4大品牌的新能源電動車連續發生多起自燃起火事件，給電動汽車安全再次敲響了警鐘。專家指出，電池熱失控是動力電池起火主要原因。對于鋰離子電池，熱失控是最嚴重的安全事故，它會引起鋰離子電池起火甚至爆炸，直接威脅用戶的安全。

熱失控

概念及分類

熱失控（ThermalRunaway），指的是單體蓄電池放熱連鎖反應引起電池自溫升速率急劇變化的過熱、起火、爆炸現象。熱失控擴展（ThermalRunawayPropagation），指的是蓄電池包或系統內部的單體蓄電池或單體蓄電池單元熱失控，并觸發該蓄電池系統中相鄰或其他部位蓄電池的熱失控現象。（摘自《電動客車安全技術條件》）

引發熱失控的因素很多，總的來說分為兩類，內部因素和外部因素。內部因素主要是：電池生產缺陷導致內短路：電池使用不當，導致內部產生鋰枝晶引發正負極短路。外部因素主要是：擠壓和針刺等外部因素導致鋰離子電池發生短路;電池外部短路造成電池內部熱量累積過快;外部溫度過高導致SEI膜和正極材料等發生分解。

鋰電池熱失控原因解析

(1)過熱觸發熱失控

導致動力電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設計的不合理，或者外短路導致電池的溫度升高、電纜的接頭松動等，應該從電池設計和電池管理兩個方面來解決。從電池材料設計角度，可以開發來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應；從電池管理角度，可以預測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級，從而進行分級報警。

(2)過充電觸發熱失控

“過充電觸發的熱失控”是指電池管理系統本身對過充電的電路安全功能缺失，導致電池的BMS已經失控卻還在充電導致的。針對這類過充電的原因，解決辦法首先是查找充電機的故障，這可以通過充電機的完全冗余來解決；其次是看電池管理合不合理，比如說沒有監控每一節電池的電壓。

隨著電池的老化，各個電池之間的一致性會越來越差，這時過充就更容易發生。這需要進行整個電池組的均衡，來保持電池組一致性。比如采用“先并后串”這一最常見電池組組合方法的串聯的電池組，在解決單體一致性問題后，最好的情況是擁有與最小容量的單體一樣大的容量。有了這個一致性之后，容量回升了，同時也能防止過充。為了實現一致性，必須有一種方法對各個單體進行容量估計?？梢愿鶕潆娗€的相似性來進行全體電池組狀態的估計。也即是說，只要知道了其中一個單體電池的充電曲線，其他的曲線應該跟它是相似的。經過曲線變化，它們可以近似重合，曲線變化的過程中間的這些差異就很容易計算。根據一個單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法，就可以進行一致性的均衡，當然這種算法的時間過長，需要進行簡化。

(3)內短路觸發熱失控

電池制造雜質、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內短路。這種內短路是緩慢發生的，時間非常長，而且不知道它什么時候會出現熱失控。若進行試驗，無法重復驗證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復由雜質引起的內短路的過程，都在研究當中。

要解決內短路問題，首先要找到產品品質好的電池廠商，選擇電池及電池單體容量；其次對內短路進行安全預測，在沒有發生熱失控之前，要找到有內短路的單體。這意味著必須要找到單體的特征參數，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內阻也是不一致的，只要找到中間有變異的單體，就可以將其辨別出來。具體而言，正常的一個電池的等效電路和發生了微短路的等效電路，方程的形式實際上是一樣的，只不過正常單體、微短路的單體的參數發生了變化?？梢葬槍@些參數來進行研究，看其在內短路變化中的一些特征。

其中特征之一就是內短路單體的電勢差，比較其內阻跟其他單體的差異。研發人員要利用模型來進行單體的辨識。在測出每個單體的電壓、電流后，利用這些數據再結合模型，就可以把每個單體的內阻預估出來。再把單體的參數全部預估出來后，根據參數的變化，便可以判斷其一致性是否發生了顯著性變化。

(4)機械觸發熱失控

碰撞是典型的機械觸發熱失控的一種方式。如果在實驗室進行碰撞的一個仿真，最接近的是針刺。通過對三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池進行針刺試驗，研究熱失控過程，發現磷酸鐵鋰電池在這個熱失控過程中沒有三元鋰電池放熱表現的那么劇烈。實驗表明，不同的材料在針刺的時候會有不同的反應，磷酸鐵鋰相對安全。解決碰撞觸發熱失控的辦法就是做好電池的安全保護設計。

一般而言，熱失控發生之后，會往下傳播。比如第一節熱失控之后會有傳熱，開始傳播，然后整組像放鞭炮似的一個一個接下來。針對這種傳播，可以建立一個模型，包含中間溫度升高率、化學能電能的產熱、傳熱對流等。整個熱電耦合的模型，可以用量熱儀來做一個相關的定量分析。有了傳播模型，研發人員可以設計如何來阻斷和抑制，這需要加隔熱層。但是，加隔熱層并不簡單，一方面加厚了體積大，另一方面隔熱層跟冷卻又是矛盾的。這些都是需要解決的問題。總之，在熱失控擴展和抑制方面，研發人員要從安全保護設計和電池管理兩個方面著手。

溫度對鋰電池的影響

概述

鋰離子電池主要有正極、隔膜、負極、電解液等幾部分構成。溫度對鋰電池的影響，從溫度過高和過低兩個方面考慮。鋰離子電池工作原理本質上是內部正負極與電解液之間的氧化還原反應，鋰離子電池溫度的高低直接影響其使用中的能量及功率性能。電動知家了解到常規的鋰電池工作溫度在-20℃~-60℃之間，不過一般低于0℃后鋰電池性能就會下降，放電能力就會相應降低，所以鋰電池性能完全的工作溫度，常見是0~40℃。而最佳事宜工作溫度約在10℃—30℃，過高或者過低的溫度都將會引起電池壽命的較快衰減。

溫度過高的影響

短期，溫度過高，鋰電池存在損壞以及熱失控的風險。鋰電池負極SEI膜的溶解起始溫度在90℃左右（不同型號電芯有差別），一旦保護膜開始溶解，工作以外的自生熱過程就此開啟，電池進入了熱失控預備階段。在這個短暫的時間窗口內，不能有效降低電池溫度，熱失控就會發生。

長期，長時間工作在較高溫度狀態，即使沒有沖破隔膜溶解溫度，電池的老化過程也會被加劇。電化學反應過程中，物質活性隨著溫度的升高而變強。電池充放電的反應過程更加活躍，表現為內阻變小。同時，副反應也跟著增強，正負極材料的溶解、電解液自身分解過程都會加劇。鋰電池長期在過高溫度下運行，壽命將受到嚴重影響。過高的溫度明顯的帶來容量的加速衰減。

溫度過低的影響

在低溫下電極表面活性物質嵌鋰反應速率減慢、活性物質內部鋰離子濃度降低，這將引起電池平衡電勢降低、內阻增大、放電容量減少，極端低溫情況甚至會出現電解液凍結、電池無法放電等現象，極大的影響電池系統低溫性能，造成電動汽車動力輸出性能衰減和續駛里程減少。此外，在低溫環境下充電容易在負極表面形成鋰沉積，金屬鋰在負極表面積累會刺穿電池隔膜造成電池正負極短路，威脅電池使用安全，電動汽車電池系統低溫充電安全問題極大的制約了電動汽車在寒冷地區的推廣。

在設計電池模塊排列時，若單體電池或者模組之間排列緊湊且沒有散熱和隔熱措施的話，電池組在充放電時溫度會急劇上升帶來嚴重的安全隱患?！∫虼藶榱颂岣哒囆阅芗皠恿﹄姵氐陌踩裕闺姵亟M發揮最佳的性能和壽命，以及避免或抑制熱失控的發生，就需要優化電池包的結構，設計能夠適應高溫和低溫的電動汽車電池包熱管理系統BTMS。

電池熱管理系統綜述

能源汽車的核心——動力電池系統，一般主要由電池模組、電池管理系統、熱管理系統、電氣及機械系統等構成。影響新能源汽車推廣應用的重要原因一個是動力電池的安全性，另外一個就是使用成本。因此隨著新能源汽車大規模的推廣，安全性需要得到進一步提高，所以熱管理的重要性凸現出來。

電池熱管理，是根據溫度對電池性能的影響，結合電池的電化學特性與產熱機理，基于具體電池的最佳充放電溫度區間，通過合理的設計，建立在材料學、電化學、傳熱學、分子動力學等多學科多領域基礎之上，為解決電池在溫度過高或過低情況下工作而引起熱散逸或熱失控問題，以提升電池整體性能的一門新技術。電動知家總結熱管理的作用簡要來說就是讓電池工作在一定的溫度范圍內維持最佳的使用狀態，用以保證電池系統的性能和壽命。

電池熱管理系統是從使角度出發，用來確保電池系統工作在適宜溫度范圍內的一套管理系統，主要由導熱介質、測控單元以及溫控設備構成。導熱介質與電池組相接觸后通過介質的流動將電池系統內產生的熱量散至外界環境中，導熱介質主要有空氣、液體與相變材料這三大類。

電池熱管理系統有如下幾項主要功能：(1)電池溫度的準確測量和監控；(2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風；(3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作；(4)有害氣體產生時的有效通風；(5)保證電池組溫度場的均勻分布。

電池系統熱管理技術

熱管理系統，通過對電池組系統施加加熱或者散熱的手段，調節鋰電池的工作溫度，盡量使得溫度環境處在鋰電池最適宜的范圍，以最大化發揮電池組的能力，延緩電池老化。動力電池散熱研究可分為空氣散熱、液冷散熱、固體相變材料散熱和熱管散熱等方式，現有主要散熱技術以前三種為主。

空冷式散熱系統

空冷式散熱系統也叫風冷式散熱系統。空冷式的散熱方式最為簡單，只需要讓空氣流經電池表面帶走動力電池所產生的熱量，達到對動力電池組散熱的目的。根據通風措施的不同，空冷式又有自然對流散熱和強制通風散熱兩種方式。自然對流散熱不依靠外部附加的強制通風措施（如加風機等），只是通過電池包內部流體自身因溫度變化而產生的氣流進行冷卻散熱的系統。強制對流冷卻散熱系統是在自然對流散熱系統的基礎上加上了相應的強制通風技術的散熱系統。當前動力電池空冷式散熱主要有串聯式和并聯式兩種系統。但該種方式效果較差，且很難達到較高的電池均溫性。

串聯風冷散熱/并聯風冷散熱

液冷式散熱系統

動力電池的液冷式散熱系統是指制冷劑直接或間接地接觸動力電池，然后通過液態流體的循環流動把電池包內產生的熱量帶走達到散熱效果的一種散熱系統。其制冷劑可以是水、水和乙二醇的混合物、礦物質油和R134a等，這些制冷劑擁有較高的導熱率，可以達到較好的散熱效果。當前動力電池的液冷技術也擁有了相當成熟的技術，在電動汽車的散熱系統中也有了相對廣泛的應用，比如特斯拉電池包就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散熱，寶馬i3采用R134a進行散熱。液冷式系統往往要求更復雜的更加嚴苛的結構設計以防止液態制冷劑的泄漏以及保證電池包內電池單體之間的均勻性，而液冷系統的復雜結構也使得整套散熱系統變得十分笨重，不僅增加整車的重量，使得整車的負擔大大增加，而且同時由于其結構的復雜性及高密封性使得液冷系統的維護和保養相對困難，維護成本也相應增加。

液冷系統圖

動力電池包液冷結構散熱方式

特斯拉電池包液冷散熱圖

相變材料式散熱系統

相變材料式散熱系統是以相變材料作為傳熱介質，利用相變材料在發生相變時可以儲能與放能的特性達到對動力電池低溫加熱與高溫散熱的效果。但相變材料的熱導率比較低，為了改變材料的固有缺陷，人們向相變材料中填充一些金屬材料，例如有些研究中將很薄的鋁板填充到相變材料中從而達到提高熱導率的目的。為了提高相變材料的熱導率，還有人提出了向相變材料中填充碳纖維、碳納米管等。

相變材料包裹電池式結構

熱管式散熱系統

熱管作為一種高效的導熱原件，能夠快速高效地把熱能從一個地方輸送到另一個地方，也就是能夠把熱量快速有效地在兩個物體間進行傳輸。在電動汽車的熱管理系統中，國內外很多學者也把熱管這一導熱原件應用到動力電池的散熱中。與傳統的強制對流散熱系統相比，在引入熱管的散熱系統中，動力電池不僅能維持在正常工作的溫度范圍內，而且各電池單體之間也能夠保持溫度的均勻性，這是強制冷卻散熱系統所不能達到的效果。但其質量和體積過大，存在換熱極限。

熱管冷卻

電池加熱系統

以上介紹了四種給電池散熱的方法，而應用在寒冷地區的電動汽車，電池包往往需要加熱裝置。鋰電池自身特性決定，在溫度低于0℃以后，電池性能發揮就會受到影響，同時還伴有對電池壽命的損害。加熱器種類包括純電阻加熱，電熱膜加熱等。純電阻加熱器，發熱效率不高，同時占據的空間較大。優點在于工作穩定，技術成熟。加熱膜，自身材質種類較多，各家名稱叫法并不統一。加熱膜以薄片的形式存在，宣稱的熱功率密度比較高，發熱效率高，理論上是比較理想的加熱形式。但其行業發展還不成熟，在汽車上應用的時間比較短，相關標準只搜集到建筑行業的行標，穩定可靠性還有待測試和觀察。

控制熱失控的方法

通過電池熱管理技術研究，加強電池的加熱和散熱能力，保證電池工作在合適的溫度范圍內和保持電池箱內合理的溫度分布。因此研究需要從單體級別的熱失控產生機理及特性方面逐步擴展到由單體熱失控觸發繼而傳播到整個電池系統的熱失控級別。

從內部即電芯層面看

從內部即電芯層面看，主要從以下三個方面進行研究和改善：

（1）對電解液進行優化，對電解液的界面特性進行改良以形成均勻薄質的SEI膜，從而提高安全性能，改進相關有機溶劑、電解質鹽和添加劑的配方從而提高熱穩定性；

（2）正負極材料的優化，比如針對正極材料進行特殊表面處理，摻雜一些安全材料進行包覆；

（3）在隔膜的選擇上需要高安全性能和熱穩定的陶瓷涂層隔膜。保證隔膜在受熱收縮程度不會太大從而維持一定的穩定性。

從外部即系統層面看

從外部即系統層面看，需要在進行熱管理系統設計時需要考慮到電芯單體和電池模組這兩個層次的結構。主要可以從以下四個方面進行設計和防護：

（1）電池熱管理系統的整體設計需要結合具體電芯使用情況，以做好對應的熱管理系統研制與開發。在電芯成組階段就需要完成良好的結構設計，保證機械安全和熱安全性。

（2）熱管理材料的應用，材料與部件的結合使用設計。液冷板的應用就能好解決電池的溫度控制，實現高低溫的調控。

（3）關注電氣系統在繼電保護、過流防護及高壓互鎖方面的保護功能，尤其環境耐久性和老化上。