电动汽车动力电池系统热失控及热扩散的检测系统研究

电动汽车动力电池系统热失控及热扩散的检测系统研究

田丽敏,秦龙

恒大新能源汽车（天津）有限公司   天津市   300301

摘要：随着汽车行业的发展，近年来新能源车已经成为了一股不可忽视的力量，伴随着新能源汽车越来越大的使用量，我们经常会看到新能源汽车自燃、爆炸等方面的新闻，新能源汽车安全事故的本质其实就是是电池热失控，本文简要的介绍了热失控的现状，存在的问题，拟解决的问题及采取的技术措施和办法。

关键词：热失控；热扩散；检测

（一）国内、外的研究动态、水平

热失控（ThermalRunaway），指的是单体蓄电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。热扩展（ThermalRunawayPropagation），指的是蓄电池包或系统内部的单体蓄电池或单体蓄电池单元热失控，并触发该蓄电池系统中相邻或其他部位蓄电池的热失控现象。

从2016年开始，工信部就在积极推动新能源汽车尤其是电动汽车安全标准的制定和修订工作。

2019年1月10日，工信部正式将《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（以下简称“新国标”）等三项强制性国家标准公示报批。

2019年11月12日发布的关于实施《电动汽车用动力蓄电池系统热扩散乘员保护测试规范（试行）》有关事项的通知，其中，对于电池热失控监测和报警提出了新的要求：电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5 min，应提供一个热事件报警信号。

2018年3月13-16日，在日内瓦召开的联合国世界车辆协调论坛（WP.29）第174次会议上，由中国、美国、欧盟和日本共同牵头制定的电动汽车安全全球技术法规（EVS-GTR）经《1998年协定书》缔约方投票表决，获得全票通过，这是中国第一个以主要牵头国身份参与完成的全球技术法规。

（二）存在的问题

安全问题是妨碍锂离子电池在电动汽车中大规模应用的主要障碍。随着锂离子电池能量密度的不断提高，提高其安全性对电动汽车的发展日益迫切。实践中，如何早期准确探测电解液泄露是一个相当巨大的挑战，难点在于既“早期”又“准确”，还要符合在“汽车”、“电池箱”等一系列应用环境。因为高度灵敏的传感器会受到电池箱内密封材料挥发气体的影响，造成误报；而低灵敏度的传感器又失去了早期预警的功能，众所周知，由于电池火灾的剧烈程度，滞后报警的后果极度严重不可承受。

（三）拟解决的主要技术问题

1.新能源电动车连续发生多起自燃起火事件，给电动汽车安全再次敲响了警钟。专家指出，电池热失控是动力电池起火主要原因。对于锂离子电池，热失控是最严重的安全事故，它会引起锂离子电池起火甚至爆炸，直接威胁用户的安全。

2. 不同的电芯产生热失控的条件是不同的，通过对电芯不同热失控触发条件的检测，实现电池火灾隐患的早期预警和智能控制，提前向乘客进行预警。

3. 通过热失控的检测，使得电动汽车能够具有极早期、准确可靠、无误报漏报、成本可优化等优势，从而成为保障新能源汽车安全运行的最佳技术方案。

（四）拟采取的技术措施和办法

1. 引发热失控的因素总的来说分为两类，内部因素和外部因素。内部因素主要是：电池生产缺陷导致内短路；电池使用不当，导致内部产生锂枝晶引发正负极短路。外部因素主要是：挤压和针刺等外部因素导致锂离子电池发生短路；电池外部短路造成电池内部热量累积过快；外部温度过高导致SEI膜和正极材料等发生分解。

2. 单体电芯热失控的测试。不同厂家的不同型号的电芯所发生热失控时的现象是不同的，我们需要做的是针对当前项目所用电芯，测试该单体电芯热失控的触发条件及热失控发生时的现象。

3. 加热触发热失控测试。使用平面状或者棒状加热装置，并且其表面应覆盖陶瓷、金属或绝缘层。加热装置的加热面积都应不大于电池单体的表面积；将加热装置的加热面与电池单体表面直接接触，当发生热失控或者监测点温度达到300 ℃时，停止触发。

4. 针刺触发热失控测试。具体测试内容为：选用刺针材料应为钢，刺针直径为3 mm~8 mm；针尖形状为圆锥形，角度为20°~60°；以0.1 mm/s ~10 mm/s针刺速度，沿着能触发电池单体发生热失控的位置和方向（例如，垂直于极片的方向）进行针刺试验。

5. 热失控条件的判断。当温度超过一定的阈值后进行判断示警，烟雾超过一定的阈值后进行判断示警，气体超过一定的阈值后进行判断预警，火焰超过一定的阈值后进行判断预警；系统的目的就是如何设定准确的优先级来有效识别不同的状态，从来起到有效的保护作用。

6. 报警信号的输出。所谓的输出，其实指的就是通讯，车内常用的即通过can通讯将相关热失控报警信号发出，以便向乘客预警。

（五）在理论和应用方面的意义

锂离子电池热失控早期，由于电池温度、放电电压、放电电流等特征识别参数的变化非常缓慢，通过 现代 BMS 无法及早地监测到电池故障，而此时电池内部电化学反应会产生大量的气体物质，因此，利用气体检测传感器来实现锂离子电池热失控早期预警在理论上是可行的。对于要求安全稳定的锂离子电池系统而言，在使用过程中发生热失控及热失控扩散都是缺乏安全性的一种表现。由于锂离子电池的高能量密度以及能量、有害气体等释放的特殊性，很多标准中谈到的热失控扩散测试实际上是为了确保：当单体要发生热失控时，系统必须要有准确的反馈，要求这个反馈信号不能漏报、不能误报，以保障电池系统安全处理预案有足够的启动时间，要求电池系统有一定的抑制或延缓热失控扩散的能力，以保障人员可以评估事故严重程度以及当其破坏力威胁到人身安全前预留充足的撤离时间，以防止对人身危害进一步扩大。

目前行业大致已经摸清了热失控的发生机制，未来的研究更多集中在电池本体安全，热管理，热失控中早期的预测预警，晚期的通知和传递阻碍等方面。相信随着行业专家不断的求索探究，电池的热失控问题会在不久的将来得到较为周全的解决方案，届时，人们可以更放心无忧地驾驶电动汽车，安心地大规模使用储能产品，从而享受清洁能源带来的全新生活方式。

参考文献

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[2]张景涵,曹冬冬,门靖宇,周荣.基于锂电池包针刺实验的热失控扩散时间预测[J].电源技术,2019,43(10):1649-1652

[3]廖正海,张国强.锂离子电池热失控早期预警研究进展[J].电工电能新技术,2019,38(10):61-66.

[4] GBT 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法