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本文主要從熱安全設(shè)計(jì)的重要性、市場(chǎng)熱安全問題、電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計(jì)解決方案、熱失控預(yù)警策略等四個(gè)方面來分析，以期望在動(dòng)力電池熱安全設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的防護(hù)措施時(shí)起到參考作用。
熱安全設(shè)計(jì)的重要性
隨著電動(dòng)汽車的存量增加，電動(dòng)汽車安全事故明顯增多，成為關(guān)注熱點(diǎn)；根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2020年全年僅公開報(bào)道的電動(dòng)汽車起火事故就有124起，事故數(shù)量明顯多于2019年。這些發(fā)生的安全事故中，動(dòng)力電池?zé)崾Э匾鸬氖鹿收急茸畲蟆?dòng)力電池?zé)崾Э匕踩夹g(shù)研究引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛重視。
動(dòng)力電池的工作過程是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，在高溫、高壓、高電流、大電流等復(fù)雜的環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)電化學(xué)化學(xué)反應(yīng)不完全，造成局部過熱而引發(fā)熱失控。電池發(fā)生熱失控后，如果不及時(shí)進(jìn)行有效的控制措施，其內(nèi)部反應(yīng)生成的物質(zhì)會(huì)進(jìn)一步蔓延，最終引發(fā)爆炸，造成人員傷亡。因此研究電池在熱失控過程中的產(chǎn)熱機(jī)理、控制策略對(duì)于預(yù)防和減少電動(dòng)汽車火災(zāi)事故具有重要意義。
熱失控及傳播原理
動(dòng)力電池?zé)崾Э乜捎蓡误w內(nèi)部因素及外部因素引起。內(nèi)部因素一般為過充、低溫充電、負(fù)極缺陷等導(dǎo)致負(fù)極形成的化合物穿透隔膜引發(fā)短路，或電池內(nèi)部雜質(zhì)刺穿隔膜引發(fā)短路等；外部因素包括正負(fù)極短路，大電流放電，高溫，擠壓、針刺等。由于單體內(nèi)部或外部因素的發(fā)生，電池單體溫度持續(xù)升高；以鋰離子電池為例，單體高于60℃時(shí)，SEI膜開始分解，全部分解后露出負(fù)極表面；隨著電池溫度的提升，電池隔膜高溫收縮，正負(fù)極活性物質(zhì)接觸，發(fā)生短路，瞬間釋放出大量的熱量。短路點(diǎn)高溫進(jìn)一步導(dǎo)致正極氧化物分解，釋放出游離狀態(tài)氧，并與有機(jī)電解液發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出更多的熱量，最終導(dǎo)致電池發(fā)生起火爆炸。
在鋰離子電池發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)，巨大的焦耳熱使穩(wěn)定性較低的SEI膜分解，初始溫度在80～120℃之間，其反應(yīng)方程式為：
（CH2OCO2Li）2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2
2Li+（CH2OCO2Li）2→2Li2CO3+C2H4
當(dāng)SEI膜分解后，負(fù)極活性物質(zhì)失去保護(hù)，其中的嵌入鋰會(huì)與電解液接觸發(fā)生放熱反應(yīng)，同時(shí)會(huì)再次生成較為稀疏的SEI膜，但對(duì)整體反應(yīng)沒有影響。此時(shí)的反應(yīng)溫度在120～250℃之間，其反應(yīng)方程式為：
2Li2+C3H4O3→Li2CO3+C2H4
2Li+C5H10O3→Li2CO3+C2H4+C2H6
2Li+C3H16O3→Li2CO3+C2H6
2Li+C4H6O3→Li2CO3+C3H6
在負(fù)極與電解液的持續(xù)放熱反應(yīng)下，電池中的隔膜會(huì)收縮、熔斷，正負(fù)極活性物質(zhì)接觸發(fā)生局部短路產(chǎn)生更多的熱量，使隔膜進(jìn)一步崩塌。隨后正極材料開始分解，生成的氧氣與電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，同時(shí)伴隨著電解液、粘結(jié)劑、外殼包裝的反應(yīng)，溫升速率急劇上升，進(jìn)入熱失控狀態(tài)。
綜上所述，電池在針刺的作用下短時(shí)間發(fā)生劇烈的內(nèi)部短路，當(dāng)電池殼體無(wú)法承受氣體與熱量帶來的壓力時(shí)，內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)會(huì)瞬間噴射，導(dǎo)致冒煙、起火，甚至爆炸。
電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計(jì)
熱安全設(shè)計(jì)開發(fā)主要分為以下五個(gè)維度，分別為：電芯選型、模組設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計(jì)、熱失控預(yù)警、主動(dòng)降溫；
電芯設(shè)計(jì)及選型
電芯選型：高熱穩(wěn)定性、殼體強(qiáng)度提升、噴閥壓力降低、絕緣提升
電芯安全測(cè)試項(xiàng)
電芯設(shè)計(jì)是電池設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，只有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)電芯，才能在后期的應(yīng)用過程中少產(chǎn)生問題和故障。電芯設(shè)計(jì)的要點(diǎn)也很多，只有多方面平衡設(shè)計(jì)，才能達(dá)到理想的預(yù)期效果。
圖1 電池封裝形式
常見的電芯制作工藝為疊片和卷繞。疊片式就是按照層疊的方式進(jìn)行壓制，而卷繞也可以簡(jiǎn)單理解為一層層的外面繞制。
兩者的工藝簡(jiǎn)單對(duì)比主要如下圖：
而在設(shè)計(jì)過程中，需要使用的技術(shù)包括的更多：動(dòng)力學(xué)模擬仿真設(shè)計(jì)、材料開發(fā)、電芯設(shè)計(jì)、模擬仿真、安全考慮、可靠性設(shè)計(jì)、壽命設(shè)計(jì)、電芯測(cè)試、設(shè)備制程和工藝等。
模組設(shè)計(jì)
主要是把單體的實(shí)際情況與Pack的需求銜接起來，在這里面主要包含：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求、熱設(shè)計(jì)需求、電氣設(shè)計(jì)需求、安全設(shè)計(jì)；
模組的主要組成
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求?結(jié)構(gòu)可靠：抗震動(dòng) 抗疲勞、工藝可控：無(wú)過焊、虛焊，確保電芯100%無(wú)損傷
熱設(shè)計(jì)??軟包電芯的物理結(jié)構(gòu)決定了其不易爆炸，一般只有外殼能承受的壓力足夠高，才有可能炸，而軟包電芯內(nèi)部壓力一大，便會(huì)從鋁塑膜邊緣開始泄壓、漏液。同時(shí)軟包電芯也是幾種電芯結(jié)構(gòu)中，散熱最好的。
電氣設(shè)計(jì)?低壓設(shè)計(jì)，通過信號(hào)采集線束，將電池電壓、溫度信息采集到模組從控板或者安裝在模組上的所謂模組控制器上；高壓設(shè)計(jì)，主要是電芯與電芯之間的串并聯(lián)，以及模組外部，設(shè)計(jì)模組與模組之間的連接導(dǎo)電方式，一般模組之間只是考慮串聯(lián)方式。
安全設(shè)計(jì)?安全設(shè)計(jì)，可以分為3個(gè)倒退的要求：良好的設(shè)計(jì)，確保不要發(fā)生事故;如果不行，發(fā)生事故了，最好能提前預(yù)警，給人以反映時(shí)間;故障已經(jīng)發(fā)生，則設(shè)計(jì)的目標(biāo)就變成阻止事故過快蔓延。
電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計(jì)
基于pack熱蔓延失效原因進(jìn)行電芯因子分析
典型熱失控試驗(yàn)
電池包拆解
熱失控報(bào)警策略
我們將預(yù)警分為車端和云端，車端是和整車TMS或VC提到一個(gè)要求，不管是電池包里因溫度信號(hào)、壓力信號(hào)還是煙霧信號(hào)，再結(jié)合電壓、溫度等最終導(dǎo)致微生物暴走的組合策略，然后把信號(hào)傳遞給VCU或傳遞給TMS，最后整車熱管理去響應(yīng)，達(dá)到極速冷卻的一個(gè)過程。要在新能源車?yán)鋮s液的量足夠的情況下，另外冷卻開啟時(shí)間也需要關(guān)注。
車端整車過熱響應(yīng)流程
某項(xiàng)目整車熱管理系統(tǒng)原理圖
結(jié)語(yǔ)
電池單體熱失控研究取得很大進(jìn)展，但國(guó)內(nèi)外仍時(shí)有安全事故發(fā)生。電池系統(tǒng)成組技術(shù)在其中的作用仍需進(jìn)行深入研究及實(shí)踐驗(yàn)證。產(chǎn)品開發(fā)過程中，需通過熱失控安全試驗(yàn)對(duì)安全性能進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)熱失控安全設(shè)計(jì)的效果。
下載ECAD模型
