锂电池热失控预警机制设计研究

岳仁兴 张永强 张志军 解乐乐 袁玉强

摘要：锂离子电池热失控是重要的安全风险，影响到锂离子电池应用。通过建立锂离子电池热失控预警机制，为工作人员提供热失控预警信息，保证电池使用安全性。本文就锂离子电池热失控预警机制的设计议题进行了探讨，供相关人士参考。

关键词：锂离子电池、热失控预警

引言：锂离子电池是重要的动力能源。当电池散热能力没有增强的情况下，不断增强电池的产热能力，无疑会造成锂离子电池工作温度升高，造成电池热失控状况，从而给电池使用带来很大的风险。通过对电池热失控过程进行分析，设计科学的锂离子电池热失控预警机制是降低电池使用风险，降低事故发生率的重要途径。

一、锂电池热失控概念

锂离子电池热失控的根本原因是电池工作过程中产生的热量比散发的热量更多，这种情况下电池内部温度升高，引起电池失效。当电池热失控时通常是链式反应没有得到有效控制，因此以起火、燃烧、爆炸等方式表现出来，引发电池安全事故。

二、热失控机理及过充状态下失控过程分析

锂离子电池内部热失控主要涉及到非正常放热反应，具体包括SEI膜热分解反应、负极和电解液反应、电解液自分解反应、正极和电解液反应。在电池温度升高的过程中，首先发生的反应是SEI膜热分解反应。虽然在正常情况下SEI膜有一定的保护作用，但是它在热稳定性方面并不好。当电池温度升高到90℃或更高时，SEI膜热分解反应速度就会加快。随着SEI膜的溶解，膜分子和溶剂分子会相互嵌入，使锂离子在负极的脱嵌速度降低，影响电池性能。锂离子在脱离嵌入的过程中受到较大的阻力，电能消耗增加，放热量增大，温度不断升高。此时包裹在电池负极表面的固体电解质界面膜层不但减少，使电池负极材料暴露在电解液中。高温环境下，电池自组分材料具有很强的化学活性，暴露的负极材料和电解液中的组分迅速发生反应并释放热量，使电池温度进一步升高[1]。目前锂离子电池的电解液包括固态和液态两种。高温条件下，电池正极材料随着分解反应发生而逐渐减少，正极材料受热分解在产生气体的同时释放热量，使电池温度呈指数升高，最终造成电池热失控状况。此外，电解液在热分解过程中会和电池内的组分发生反应，使电池热失控过程更加复杂。

当电池在过充状态时，锂离子被还原，金属锂的含量不断增加，堆积成锂的结晶物，这种结晶物不断成长并生出更多的枝梢，随着结晶物的堆积和生长很容易磁盘隔膜造成电池内部短路，使电池产生大量气体并释放大量的热，造成电池热失控[2]。

三、锂电池热失控预警机制设计

在对电动汽车锂电池热失控预警机制中采用系统嵌入式的方式，通过建立BMS系统，输入温度、电压、电流探测器等输入参数，经过系统分析后向驾驶人员或工作人员输出热失控预警信息。

热失控预警的系统架构如下：参数输入后系统根据参数信息判断锂离子电池是否处于危险状态，如果诊断出电池处于危险状态，则预警系统开启;如果诊断出电池不属于危险状态，则电动汽车正常运行。如果诊断出电池处于危险状态，则继续诊断电池是否属于热失控状态，如果诊断出电池是热失控状态，则立即启动警报;如果诊断出电池不是热失控状态，则判断电池是否属于其他的危险状态。在判断电池是否属于其他的危险状态时可设计以下四种模型，包括热滥用模型、电滥用模型、机械滥用模型、复合触发模型。根据上述四种模型的分析，判断电池正在处于哪一种危险状态，从而计算出电池如果发生热失控所需要的时间。在经过上述分析后得出最终的信息，通过显示端向驾驶人员或工作人员输出电池热失控预警信息。

热失控预警系统的流程与数据流程是相对应的。首先，BMS系统收集电池的温度、电压、电流等参数。其次，将收集的参数输入到电池热失控预警系统中，系统对锂离子电池是否存在热失控危险进行诊断。诊断的温度限制设定为80℃，当实际温度值超过80℃时则判断电池存在热失控危险;当实际温度未超过80℃时，则判断电池处于安全状态。根据电池是否存在热失控危险来确定热失控预警系统是否开启。如果电池处于相对安全的状态，则热失控预警系统关闭，反之，则启动热失控预警系统。当系统诊断出电池存在热失控危险，此时热失控预警系统启动，然后继续对电池温度进行监测，同步上传监测数据，实时对电池的热失控风险状况进行分析诊断。如果分析出电池升温速度超过1℃/s，此时判定为锂电池发生热失控，立即向驾驶人员或工作人员发出预警信息。如果系统诊断出锂电池未发生热失控，根据四种危险状态模型计算出锂电池将要发生热失控的时间，向驾驶人员或工作人员发出预警信息。四种危险状态模型具体选择哪一种模型的判定参数为电压。如果是针刺导致锂电池发生热失控状况，则电池电压会迅速降低至零，因此这种热失控状况是由电池过充导致的;其他的电池热失控状况都属于高温造成的。

在电动汽车行驶过程中，仪表盘上显示BMS系统监测到的电池温度信息，驾驶人员或工作人员可以实时接收到电池温度。如果电池温度快要接近80℃时，驾驶人员或者工作人员可以调整策略，如果有冷却系统的话可以开启电池冷却系统，这样就能够尽早避免电池温度升高过快引发电池热失控。如果仪表盘显示锂电池温度超过80℃，则此时电池热失控预警系统已经诊断为热失控状态了，预警系统处于启动状态，仪表盘上显示电池将要发生热失控的时间参数，提醒驾驶人员或工作人员立即停车，离开电动汽车，并采取冷却灭火措施，避免人员或设施伤亡。

四、结语

综上所述，锂离子电池是重要的能源动力来源，在新兴产业发展中发挥重要作用。锂离子电池热失控状况是影响锂离子电池使用安全的重要威胁。通过锂电池热失控预警机制的构建，利用现代化技术诊断电池热失控信息，及早提醒驾驶人员和工作人员，采取安全防控措施，降低恶劣事故发生。

参考文献

[1]张越超.高秀玲.高金津.锂离子电池热失控防控技术研究进展[J].应用能源技术，2020，（8）：30

[2]高飛.刘皓.吴从荣.汪书萍.范明豪.汪浩.锂离子电池热安全防控技术的研究进展[J].新能源进展，2020（1）：15

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