如何实现动力电池的热失控预测及预警

如何实现动力电池的热失控预测及预警

常淑

天津市捷威动力工业有限公司 天津 300380

摘要：近年来，由于政府政策支持力度和消费者认可度的提高，我国的电动汽车产业迎来井喷式发展，2021年销量超过300万台，已稳居全球第一。根据《中国制造2025》计划内容可以看出，电动汽车发展将作为我国未来工业转型升级的重要支柱，其核心零部件的技术革新将提高我国汽车工业的战略性竞争力，推动整个国民经济的可持续健康发展。

关键词：动力电池；热失控；预测；方法

引言

由于新能源汽车的逐渐推广，新能源汽车起火燃烧的事故也在不断被报导。这不仅影响了经销商的信誉，也让公众对新能源汽车的信任不断下降，导致新能源汽车市场的损失和相关产品的退出，不利于新能源汽车的推广。起火燃烧爆炸的热失控现象仅仅是动力电池热安全问题的呈现结果，而非问题的原因。热失控的触发因素根据电池的滥用条件主要分为：机械滥用、热滥用、电滥用。

1.新能源汽车电池热失控事故特点

新能源汽车热失控事故，依据事故发生时间可以大致分为两类，一是快速热失控事故，即由于浸水、碰撞、穿刺导致电池结构受损，多电芯同时短路，快速发生热失控，进而形成较大规模的燃烧放热甚至爆炸。此类事故具有发生快，危险性大，易产生爆炸的特点，锂电池燃烧点燃车辆内饰产生较多有毒气体，具有较强的人身危害性。消防应急救援过程中，此类事故常见于车祸等情形，碰撞引发车辆快速起火，往往车祸发生后数分钟之类即可起火燃烧，部分高续航车型因携带电池容量较大，甚至有爆炸危险。二是缓慢热失控事故，由于充电、电池老化导致的短路，是一个缓慢热累积的过程，汽车热管理系统逐步失效，最终累积至临界温度，此类事故常见于行驶过程中车辆自燃或者静置时自燃，车辆逐步出现白烟、异味是一典型特征。

2.热失控机理

锂离子电池热失控大致可分为三阶段，即加热阶段、喷射和燃烧阶段、熄灭阶段。加热阶段过程中，随着辐射加热时间的增加，锂离子电池的表面温度升高，电池内部的化学反应积累了大量气体和热量。由于锂离子外壳为钢壳，几乎不会发生膨胀等体积变化。当电池内部压力达到安全阀耐压极限时发生破裂，释放可燃性气体等使得电池由“封闭系统”变为“开放系统”，加速金属锂、电解液等副反应，进而加速温度上升。喷射和燃烧阶段过程中，随着电池副反应的进行，电池温度持续上升，积累的能量和气体增多，达到喷射压力时，电解液分解的大量气溶胶雾滴将会被喷射出并形成白色烟雾。并且SOC越大会使得电池内部化学反应越剧烈，内部的非易燃性物质将随气溶胶雾滴一起喷出形成白色火花。这类白色烟雾能够在释放瞬间被点燃，发生燃烧爆炸等安全事故。

3.实现动力电池的热失控预测及预警方法

3.1使用复合集流体替代传统集流体

集流体，是指汇集电流的结构或零件，是锂离子电池的重要组成部分，在锂离子电池上主要指的是金属箔，如铜箔、铝箔。现有集流体材料多为铝箔和铜箔，占锂离子电池单体重量的15%左右。可以采用复合集流体替代传统集流体，复合集流体是叠层结构，类似“三明治”结构，中间支撑体层材料通常为为涤纶树脂或聚萘二甲酸乙二醇酯或聚丙烯，支撑体层的两侧为金属镀层。复合集流体中间层通过添加溴系阻燃剂、含溴磷酸酯，或采用阻燃涤纶树脂，从而具备阻燃性。另外，采用复合集流体可以减轻集流体重量，降低集流体成本，从而提升电池单体质量能量密度，进而兼顾能量密度与安全性。国内某品牌手机厂商已运用此技术与手机电池之中，取名字叫“夹心式安全电池”，采用的是在一层新型高分子复合材料的基础上，镀上两层铝，再涂上安全涂层，形成一个五层安全结构的“三明治”夹心集流体。不过手机电池容量与新能源汽车动力电池容量自不可比，如何将手机成熟技术推广至汽车动力电池，尚有一段路程要走。

3.2人工智能预测方法

在基于电池大数据的人工智能热失控预测方法方面，从算法的先进性来看，经历了阈值边界确定方法、信息统计确定、机器学习到元学习方法的发展。从直接分析电压、电流、温度等参数到多模态数据的小样本学习，算法效果进步神速。人工智能方法获取热失控数据的途径也多种多样，如实车数据、热失控实验数据、故障注入模拟数据等。然而，基于大数据的动力电池热失控预测算法同样面临诸多挑战。电池是一个复杂的时变系统，阈值参数边界会随着电池的类型和老化而变化，模型的可迁移性能值得探讨。基于实验性热失控数据的研究在一定程度上揭示了热失控的原因，但这种理想的数据与真实的车辆数据之间存在很大的差距。因此，目前业界还未形成稳定可靠的算法来预测基于真实车辆数据的热失控。

3.3风险指数预测方法

（1）充放电循环时，不同倍率下充放电导致的温升也不同。在低倍率条件下，循环次数超过2000次时，最大温升为15℃，不易发生副反应而导致热失控，在10C倍率下极易发生副反应，即SEI分解导致温度上升从而引发热失控，给充放电提供了参考。（2）老化热失控，同样老化的电池，充放电倍率提高，温升速度也提高，从3C到5C倍率下，充放电倍率提高，电池发生热失控的时间也显著缩短，风险指数提高。（3）当电池温度处于80~120℃时，即风险指数β处于1~2之间时，电池还能正常运行，电池发生副反应的时间较晚，温升不高；当电池温度处于120~200℃时，即风险指数处于2~3.2时，电池此时发生正负极与电解液反应等副反应，风险指数较高，此时电池可能发生热失控；当电池温度高于200℃，即风险指数大于3.2时，电池发生电解液分解副反应，电池温度上升很快，随时可能发生热失控。

3.4可延缓热失控装置设计

当动力电池发生热失控时，利用电池热管理系统监控冷却的同时，使用隔热罩延缓其热量扩散。但隔热罩内部空间有限，内部压力会随产热增加而升高，受损速度较快，延缓效果较差。因此针对现有技术不足，结合动力电池热失控过程及影响因素，设计一种能够延缓热失控的汽车电池包。将动力电池安装在隔热罩内部，隔热罩底部连接隔热底座，侧面通过螺丝安装隔热盖板，隔热底座下表面连接扩容盒，扩容盒内滑动安装分隔板，隔板连接处贴合密封套，隔热底座上设置与隔热罩和扩容盒连通的连通孔，远离连通孔一侧的扩容盒设置通气孔。当动力电池发生热失控时，隔热罩、隔热盖板和隔热底座能够防止动力电池产生的热量传递到其他电池组，实现延缓热失控效果。随着产热增加，隔热罩内部压力增大，隔板在扩容盒内滑动，将原有空气通过通气孔排出，降低内部压力，减缓受损速度，增加延缓时间。同时将扩容盒滑动隔板与行程开关相连，接通新能源汽车的中控台，开启报警系统。

结束语

随着我国环保“双碳”目标的提出，新能源汽车产销量日趋上升，其电池热失控问题亦日趋突出，近年来数十起新能源车自燃事件便是佐证。通过对新能源汽车热失控案例进行分析，总结其事故原因与特点，并对比分析现阶段电池热失控防护措施，提出兼顾能量密度与安全性需求才是未来电池热失控防护措施的发展方向，并对未来可行的技术路径进行前瞻分析。

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