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動力電池包的安全問題，從根本上說都是電池系統(tǒng)熱失控問題。系統(tǒng)散熱能力與系統(tǒng)生熱能力不匹配，熱量在系統(tǒng)內(nèi)積累，電池溫度上升，最終導(dǎo)致燃爆等惡劣后果。 上圖是鋰電池?zé)崾Э厥疽鈭D。圖中體現(xiàn)的是性能正常的電芯，熱量積累引發(fā)熱失控的過程。撞擊，穿刺等機械損傷造成的熱失控，不在這張圖的描述范圍。 鋰電池負(fù)極SEI膜，是在系統(tǒng)溫度上升過程中，最先出現(xiàn)失效的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)起始溫度在90到100°左右?？紤]電池的內(nèi)外溫差以及保留部分冗余設(shè)計，這就是我們的電池包工作溫度上限一般設(shè)置在50到60°之間的原因。 正常使用中，防止熱失控，一方面避免過多熱量的產(chǎn)生和積累；另一方面，提高熱管理水平，讓電池在它最適合的溫度環(huán)境下工作。 原因如前面所述，在過高溫度下使用，從鋰電池負(fù)極SEI膜溶解開始，失去保護的負(fù)極與電解液反應(yīng)放熱，電解液分解放熱，正極分解放熱，這些熱量積累起來，反應(yīng)逐漸加劇，反應(yīng)從一只單體蔓延到附近電芯，一個模組的反應(yīng)，給整個電池箱內(nèi)的電芯加熱，這就是所謂熱失控的過程。 電池包都會標(biāo)注一個使用溫度范圍，低于下限溫度，如果在過低溫度下使用，電池也是無法正常工作的。低溫放電，理論上沒有跟熱失控有明確關(guān)聯(lián)，但低溫造成電解質(zhì)活性降低，導(dǎo)電能力變差，進而導(dǎo)致放電能力變差，就是我們所謂的放不出電來，車子沒勁兒。如果是低溫強行充電，則會造成負(fù)極析鋰問題，容量會受到永久損傷不說，析出的鋰積累在那里，是熱失控的重要原因。 超過電芯允許能力的大倍率放電，系統(tǒng)熱量不能及時散去，熱量積累，逐漸加大了熱失控的風(fēng)險。同時，過大倍率的放電，使得正極材料的鋰離子嵌入過程超速進行，造成正極晶格坍塌，容量永久性損失。大倍率充電，使得鋰離子通過SIE膜的速度低于鋰離子向負(fù)極積聚的速度，出現(xiàn)鋰單質(zhì)在負(fù)極表面堆積現(xiàn)象，如果過程反復(fù)進行，鋰枝晶不斷生長，最終會刺破隔膜，造成內(nèi)短路，引發(fā)熱失控。 過充，充電截止電壓超過了電芯的最高電壓，造成正極活性材料晶格塌陷，鋰離子脫嵌通道受阻，使內(nèi)阻急劇升高，產(chǎn)生大量熱；負(fù)極堆積了過量的鋰單質(zhì)，附著在負(fù)極表面，所謂析鋰現(xiàn)象。正負(fù)極的反應(yīng)過程都容易最終走向熱失控。 過放，本來應(yīng)該是鋰離子從負(fù)極脫出，嵌入正極晶格，但負(fù)極沒有那么多的正離子可以提供，使得負(fù)極的集流體銅排失去銅離子，銅離子游離在電解質(zhì)中，附著在正極或者負(fù)極，都會造成整個系統(tǒng)的失效。 對于熱失控風(fēng)險的防范，BMS主要是起到監(jiān)督作用，防止電池濫用發(fā)生。溫度，BMS有明確的工作溫度閾值設(shè)置，針對充電，放電均有最高最低的溫度限制，超過設(shè)置限制，系統(tǒng)不得開啟或者必須降功率運行；電壓，針對過充過放風(fēng)險，BMS設(shè)置有最高最低的充電和放電電壓閾值，確保在觸及電壓閾值時，系統(tǒng)自動停止運行。 熱管理，根據(jù)電池包的理想工作溫度，命令冷卻加熱系統(tǒng)工作，防止過冷過熱情況的出現(xiàn)。溫度對電池性能影響較大，目前一般只能測得電池表面溫度，而電池內(nèi)部溫度需要使用熱模型進行估計。常用的電池?zé)崮Ｐ桶憔S模型（集總參數(shù)模型）、一維乃至三維模型。 零維模型可以大致計算電池充放電過程中的溫度變化，估計精度有限，但模型計算量小，因此可用于實時的溫度估計。一維、二維及三維模型需要使用數(shù)值方法對傳熱微分方程進行求解，對電池進行網(wǎng)格劃分，計算電池的溫度場分布，同時還需考慮電池結(jié)構(gòu)對傳熱的影響（結(jié)構(gòu)包括內(nèi)核、外殼、電解液層等）。一維模型中只考慮電池在一個方向的溫度分布，在其他方向視為均勻。二維模型考慮電池在兩個方向的溫度分布，對圓柱形電池來說，軸向及徑向的溫度分布即可反映電池內(nèi)部的溫度場。二維模型一般用于薄片電池的溫度分析。三維模型可以完全反映方形電池內(nèi)部的溫度場，仿真精度較高，因而研究較多。 但三維模型的計算量大，無法應(yīng)用于實時溫度估計，只能用于在實驗室中進行溫度場仿真。為了讓三維模型的計算結(jié)果實時應(yīng)用，研究人員利用三維模型的溫度場計算結(jié)果，將電池產(chǎn)熱功率和內(nèi)外溫差的關(guān)系用傳遞函數(shù)表達，通過產(chǎn)熱功率和電池表面溫度估計電池內(nèi)部的溫度，具有在BMS中應(yīng)用的潛力。下圖所示為電池內(nèi)部溫度的估計流程。 一般地，鋰離子電池適宜的工作溫度為15~35℃，而電動汽車的實際工作溫度為-30～50℃，因此必須對電池進行熱管理，低溫時需要加熱，高溫時需要冷卻。熱管理包括設(shè)計與控制兩方面。溫度控制是通過測溫元件測得電池組不同位置的溫度，綜合溫度分布情況，熱管理系統(tǒng)控制電路進行散熱，熱管理的執(zhí)行部件一般有風(fēng)扇、水/油泵、制冷機等。 比如，可以根據(jù)溫度范圍進行分檔控制。Volt插電式混合動力電池?zé)峁芾矸譃?種模式：主動（制冷散熱）、被動（風(fēng)扇散熱）和不冷卻模式，當(dāng)動力電池溫度超過某預(yù)先設(shè)定的被動冷卻目標(biāo)溫度后，被動散熱模式啟動；而當(dāng)溫度繼續(xù)升高至主動冷卻目標(biāo)溫度以上時，主動散熱模式啟動。 在最新的《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》征詢意見稿中， 對車用鋰離子動力蓄電池的熱失控和熱擴撒問題有詳細(xì)描述，并提出了相應(yīng)的報警保護措施和測試方法。 在附錄C的規(guī)范性附錄中提出了熱擴散乘員保護分析與驗證報告。 在附錄D的資料性附錄中提出了熱擴散試驗的方法。 并提出了判定發(fā)生熱失控的條件 該國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成了征詢意見階段， 馬上會形成正式標(biāo)準(zhǔn)文本發(fā)布以及實施，大家可以找到標(biāo)準(zhǔn)文本參考閱讀。 關(guān)于BMS的基礎(chǔ)知識，請參考前文： 動力電池管理系統(tǒng)(BMS)基礎(chǔ)(一）； 動力電池管理系統(tǒng)(BMS)基礎(chǔ)(二）； |
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