電動汽車電池熱失控產生原因及防范措施

4月21日,一輛特斯拉Model S在上海地下車庫發生自燃,自燃的視頻在網絡上迅速傳播。很多媒體強調:“從冒煙到起火隻有4秒,根本來不及逃生”。這讓很多人覺得,電動汽車非常不安全。而且這麼多電池,一旦一個電池故障,整輛車和車內的人就都危在旦夕。

電動汽車電池熱失控產生原因及防范措施

本文嘗試為大傢做一個解讀。

什麼是熱失控

先說什麼叫熱失控,根據標準《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》裡的定義,熱失控指的是電池單體放熱連鎖反應引起的電池自溫升速率急劇變化的過熱、起火、爆炸現象。

新能源汽車的動力電池系統一般主要由電池模組、電池管理系統BMS、熱管理系統以及一些電氣和機械系統等構成。

整車廠、或者動力電池系統的廠商,在設計生產電池系統時,要考慮多重因素。

為瞭便宜,他們希望電池系統成本低;為瞭車跑得遠,續航裡程長,他們希望能量密度高;為瞭安全,他們希望電池系統安全性高。這些都是新能源汽車能否大規模推廣應用的重要因素。但是,遺憾的是,往往這幾個因素之間是互相約束的,你不可能什麼都追求極端。

我們可以看看下圖。為瞭追求更長的續航裡程,我們不得不用能量密度越來越高的電池:從鉛酸電池、鎳鎘電池,到磷酸鐵鋰、三元電池,而且是能量密度越來越高的三元電池。

電動汽車電池熱失控產生原因及防范措施

但是,能量密度越高的電池,熱穩定性就更低。因此,為瞭能用好這些高能量密度的電池,安全性也得到瞭進一步地重視。

最主要的,就是防范熱失控。動力鋰離子電池在過充放電、針刺、碰撞情況下,都有可能引起連鎖放熱反應,造成熱失控,形成冒煙、失火甚至爆炸等。

除瞭以上這些極端情形,常規情況下電池也會產生熱量,散熱設計不好,也可能導致熱失控。

單個電池(即電芯)由於其自身有一定的內阻,在充放電的同時,就會產生一定的熱量,使得自身溫度變高。當自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時,電池的性能和壽命會受到影響。

電動汽車電池熱失控產生原因及防范措施

系統在不同的應用工況下的工作過程中,也會產生大量的熱,聚集在狹小的電池箱體內。熱量如果不能夠及時地快速散出,也會影響系統內的電池壽命,甚至出現熱失控,導致電芯起火爆炸等。

特斯拉的車型,以長續航裡程為特點,也是不斷提高電芯能量密度實現的。

目前特斯拉所采用的三元NCA電芯,由於能量密度高,在針刺測試時,會劇烈燃燒,和其他電芯比,自然不算好。而且從材料性質上來看,三元電池的分解溫度要低於磷酸鐵鋰,在同樣的高溫環境下,發生熱失控的幾率要高於磷酸鐵鋰。因此,特斯拉電池熱失控的原因,可以從電芯本身和外部環境兩塊來看。後者對前者又會有一定的影響。

熱失控的產生原因

特斯拉這起自燃不是第一起電動汽車起火,也不會是最後一起。

從這幾年發生的電動汽車的安全事故來看,原因主要集中在外部撞擊形成針刺擠壓或者密封失效浸水,高溫環境下熱集中和過充放電過程,電芯本身漏液等,伴隨電芯內部的短路造成熱失控。在研究電動汽車自燃案例過程中,可以看到充放電原因造成的熱失控不在少數。

鋰離子動力電池在發生熱失控的過程中,隨著溫度不斷升高將會依次經歷以下的過程,並不是一個瞬間就完成的過程:高溫容量衰減→SEI 膜分解→負極-電解液反應→隔膜熔化過程→正極分解反應→電解質溶液分解反應→負極與粘接劑反應→電解液燃燒等。

電動汽車電池熱失控產生原因及防范措施

從鋰離子電池單體的構成部分來看,熱失控的可能原因主要出現在電解液、正負電極材料的熱穩定性能上。比如鋰離子電池在充電時,金屬鋰的表面會沉積枝杈狀鋰枝晶,積累到一定程度就會刺穿電池隔膜,造成正負極直接接觸而短路導致熱失控。再比如,過充時,鋰離子會從正極溢出與電解液溶劑發生反應產生熱量。熱量會反過來繼續加熱電池觸發金屬鋰與溶劑、嵌鋰碳與溶劑混合反應,在極小空間內產生無法立即排出的熱量與氣體,於是電池爆炸。

為瞭防止熱失控,要對電芯、模組、系統都做隔熱防控,但是電芯和模組級別的隔熱防控,此前並沒有被業界過多關註。因此,在電池系統的整體設計中,就必須考慮電芯單體和電池模塊所在位置的溫度環境的影響。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。

為瞭提高動力電池的安全性,還需避免或抑制熱失控的發生。整體來看,業界解決鋰離子電池熱失控問題,主要從系統保護和電芯改進兩個方面進行。

解決熱失控的工作

為瞭解決熱失控,在單體電芯材料層面可以做改進。比如對正負極材料進行包覆處理,電解液添加阻燃劑,或者往固態電池方向發展等。

重點敘述一下國內外一些公司,在電池熱失控方面做的工作。

首先看對電芯的熱管理。

電動汽車電池熱失控產生原因及防范措施

國內動力電池老大寧德時代,則在電芯之間放置氣凝膠。氣凝膠兼具高效的隔熱性能和超薄的厚度,可在極其有限空間中進行保溫隔熱,並且一定的厚度可以對熱失控有較好的延緩作用。包括上汽時代也有同樣的方案。

而通用汽車的方案,類似於特斯拉和寧德時代的結合。他們在電芯之間放置冷卻片和泡棉,使得冷卻片的散熱和泡棉的隔熱作用同時實現。但在現有的研究范圍內,泡棉主要用提高電芯的循環使用壽命,而不是熱失控的延緩。

再來看系統級的防護。

電動汽車電池熱失控產生原因及防范措施

另外,動力電池行業最早常用灌封膠,也可以看做是一種浸泡式方案。這一方案,在能量密度方面沒有優勢,因此在補貼政策鼓勵能量密度的背景下,失去瞭市場。在補貼退出之後,灌封膠方案能否贏回一點市場,尚待觀察。

老牌動力電池企業比亞迪,采用液冷板方案,能保證電池工作在正常的溫度范圍內。冷卻板可以用釬焊、攪拌摩擦焊、埋管等幾種方式。但是在外部撞擊和長期振動使用環境下,如何保證不漏液也是需要考慮的。

電動汽車電池熱失控產生原因及防范措施

為瞭更進一步節省空間和提高效率,液冷箱也開始有一定的市場。不過,液冷箱一旦被碰撞,形變和異物侵入,反倒可能傷及電芯。因此液冷箱方案用於商用車較多,因為商用車電池包一般有電池倉的保護,而不像乘用車那樣直接放置在底盤,能與外界直接接觸。

除去這三種常見的方案,一種新的熱管方案也開始嶄露頭角。它可以滿足電池組的高溫散熱與低溫預熱雙工況要求,響應快,溫度均勻性好。

以上幾種,都可以說是液冷方案。采用液冷方案時,需要將箱體隔熱考慮進去,意義在於:一、保持系統內部溫度,有利於低溫充放電,延長使用壽命;二、降低高溫路面熱輻射對系統內部溫度的影響;三、外部出現火燒或者高溫時,保持電池包內正常溫度,延緩電池熱失控,提高安全性。

整體來看,單獨或者綜合以上若幹熱失控方案並不能完全避免熱失控的發生,比如箱體的密封隨著環境不斷變化失效,導致漏水,也可能會產生熱失控,導熱材料的選擇不當也會有風險。這些又是另外需要深入研究的課題瞭。

關於熱失控方面的標準

熱失控不僅是業界重視,國傢主管部門、行業標準也提出瞭要求。

目前,中國在電池安全涉及熱失控方面的標準,包括《電動汽車安全要求》、《電動客車安全要求》和《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》(意見稿階段,將會盡快發佈)等。

《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》在引言部分就強調瞭在確定電動汽車用鋰離子電池單體、電池包或系統采用何種設計方案時,需遵守以下的優先次序:首先,如有可能,優先選擇安全性高的材料,盡量避免使用容易出現絕緣失效、熱失控或燃燒起火的材料;其次,如果無法實行以上原則,那麼需制定保護措施,減少或消除危險發生的可能性。標準裡也明確規定鋰離子電池單體和電池系統在按照規定的測試方法進行過充放電、短路、加熱、溫度循環和擠壓試驗時,應不起火、不爆炸。

電動汽車電池熱失控產生原因及防范措施

標準要求鋰離子電池包或系統制造商可選擇以下兩種方式之一進行鋰離子電池包或系統熱擴散分析或驗證。按照附錄完成熱擴散乘員保護分析和驗證或者參照附錄完成熱擴散試驗。在熱擴散乘員保護分析與驗證報告這個規范裡規定:鋰離子電池包或系統在由於單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發生危險之前5分鐘,應提供一個預先警告信號(服務於整車熱事故報警),提醒乘員疏散。

如果熱擴散不會產生導致車輛乘員危險的情況,則認為該要求得到滿足。

但熱擴散乘員保護分析與驗證報告和熱擴散試驗這兩個方面,隻是作為附錄在最後,隻要求廠傢提供最後的結構和數據說明,並沒有統一的技術標準要求。我認為後續應該有一個統一的標準去認證合格與否,關於熱失控的試驗記錄與披露必要性提醒廠傢要做好相關工作。

另外《電動客車安全要求》要求可充電儲能系統(或安裝艙體)與客艙之間應使用阻燃隔熱材料隔離,阻燃隔熱材料的燃燒特性應符合GB 8624—2012中規定的A級要求,並且在300 ℃時導熱系數應小於等於0.04 W/(m?K)。

綜上,國內外眾多企事業單位和國傢標準,在解決熱失控方面做瞭很多的工作。大傢沒必要提到電動汽車就談虎色變,要相信電動汽車的安全性在不斷提高。也希望有更專業的人士來普及更多的東西,讓熱失控得到更好的防范和控制。

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