新能源汽车动力电池热失控研究分析

鲍晓东，张仙妮，刘国强

（1.北京工业职业技术学院机电工程学院，北京 100042；2.北京汽车蓝谷营销服务有限公司，北京 100176）

0 引言

随着新能源汽车行业的高速发展，新能源汽车保有量越来越大。我国新能源汽车市场竞争力明显提高，我国新能源汽车在三电领域都取得了关键性的技术优势，新能源纯电动车平均电耗降至11.0kWh/100km。新能源汽车的保有量增大降低了对环境的污染，但是汽车火灾的频频发生也对人们的人身生命安全带来了严重威胁。火灾事故对消费者购买新能源汽车的信心造成了极大的信心，阻碍了电动汽车产业的发展。虽然新能源汽车电池故障率能够降低到1/10，000，000，但是电池组热失火的事故仍层出不穷。新能源汽车电池安全隐患诱因主要是电池内短路、化学、物理、机械等因素造成的。

1 故障背景及问题描述

新能源汽车热失控的原因是BMS热管理失控，新能源汽车电池在充放电时，电池内部会发生电化学反应产生热量，由于产生的热在电池内部聚集，热量没有能够迅速排出，功率会逐渐降低，甚至存在发生爆炸的风险。

2 失火原因分析

2.1 热量散热失控

在高温环境下，因为锂离子电池自身的结构特征，SEI膜、电解液等会发生化学反应，正极、负极会和电解液的分解物发生化学反应，会使电芯隔膜分解融化，多种化学反应会产生大量的热量。大量的热会使隔膜融化最终使内部短路，电能量和热量会相互促进产生大量的热。这种负面作用会使电芯防爆膜破裂，喷出电解液，使汽车起火燃烧。新能源汽车电池的热诱因主要是外部环境温度高引起外部起火，造成电池散热不畅等。

2.1.1 温度（外部环境）

电池升温受许多因素影响，外在因素有外部环境温度和电池自身散热方式；内因也有充放电倍率、内阻、放电深度DOD、SOC和容量等。 如果外部环境温度高，会使电池散热系统效率低下，散热效果变差。对于大容量纯电动汽车风冷系统已经不能适应散热的要求。

2.1.2 散热方式

热失控预防一般使用风冷和液冷相互融合的散热方式，如果效果不好会影响散热。

2.1.3 充放电倍率

充放电倍率变高，电流会变大，内阻增大，热量越多。高倍率充电的时候，电池产生热的速度加快，那么散热系统的热量如果没有及时排出，将会积累增多。

2.1.4 内阻

越是大的内阻，充电的效率越低，会产生更多的热量堆积。在SOC小于20%的情况，内阻会增大，这时候应该是电池输出功率降低，电池安全得到保护。

2.1.5 容量

越是大容量电池，会有很多的电化学反应，热量越多，散热功率就需要很大，如果散热不能满足，产生的热会越积越多。

新能源汽车热失控具有复杂的反应，SEI膜的分解会使电池的热量累积，会使隔膜分解和熔断，因此正负极和电解液电解液会产生放热等反应。在反应过程中的任何步骤改善都能使热稳定性和电池安全性提高。改造SEI膜界面，初始放热温度提高；选用具有高的熔断温度和低的内阻陶瓷隔膜；相变材料散热散热方式。这些技术都能增加电池热稳定性，给新能源汽车的未来保驾护航。

根据这种情况，电池厂家需要从两个方面来解决问题：电池设计和BMS电池管理系统。在电池设计方面，可以开发材的料来是防止热失控的，热失控的反应能够受到阻断；在电池管理系统方面，需要预测温度范围，定义不同的安全等级，需要进行分级报警。

乘用电动汽车的动力电池都具有热管理系统，同时采用风冷或者水冷方案为电池系统进行冷却。对车主而言，在汽车驾驶习惯上消除热诱因，可以避免阳光直射照射车辆、易燃物不要放置在车内等，同时车内常备车载灭火器，消除着火因素。还要经常电池温度信息在关注仪表板或中控屏上数值，新能源汽车电池单体的工作温度在40℃～50℃之间，电池不在这个温度范围都是对寿命影响的。

2.2 电化学因素

由于在制造环节可能含有杂质、金属颗粒、电池充放电膨胀和收缩、析锂有可能造成电池内部短路。这种内部短路的发生是非常缓慢，时间很长，而且其出现热失控不知道什么时候会爆发。如果进行实验，重复验证无法进行。全球新能源专家还没有找到相关证据，证明其电池内部短路的确切证据。

首先要提升生产制造水平，降低制造电池环节中的杂质。这个问题要解决，电池厂商就需要选择其产品品质优良的，同时安全预测内短路情况，需要在电池发生热失控之前，找到有内短路发生可能的单体。特征参数是需要确定的，需要从一致性开始。如果电池有差异的，内部阻值也是有差异的，只需要找到中间有差异的单体，就可以性能变差的电池单体找出来。发生了微短路的等效电路和良好的一个电池的等效电路，在方程的形式实际上是一样的，只是微短路的单体、正常单体的参数发生了改变。需要对这些参数来进行对比研究，研究其在内部短路一些特征参数变化。

新能源电池负极上如果嵌入大量锂离子是在满电状态的，过充后，析锂现象就会在负极片上产生，针状的锂金属结晶就会出现，隔膜会被刺穿而引发短路。BMS电池管理系统都会对电池过充有保护策略技术，在管理系统检测到电池电压达到阈值时侯，充电回路就会关断，电池就会被保护。在出厂之前，汽车厂商对BMS都会进行多项电性能测试，为了防止发生意外火灾，不能对电动汽车进行过充电，充电过程中选用正规的充电设备，消除过充隐患。

2.3 机械电气因素

汽车发生碰撞事故会引起电池受到损伤。碰撞是机械触发热失控的一种非常典型的方式，电池受碰撞损失的时会引发内部内短路造成电池热失控，此种类型的短路与电化学诱因引发的短路是不相同的，瞬间突然发生的机械损伤事故，会引起车辆的碰撞、侧翻，挤压等都会引起电池在端时间内发生机械损坏。

在维修方面可以使电池侧面夹上铁板并用螺栓紧固（铁板要夹在电池极板平面对应的电池侧面），在温度升高的情况下电池槽不发生膨胀，电池内部的氧气通道不会随着温度提高变大，会使电池的氧复合反应不会发展很迅速。随着电池温度增加，电池的散热速度也会加快，最终电池散热速度与电池生热速度相互平衡，从而阻止了电池热失控[1]。

在设计方面电解决碰撞引起的热失控的最好办法池的结构安全性保护设计。设计装配式结构：支撑框架和钢带预紧的组装结构以及高强度骨架；可靠性设计：利用电池包隔振装置、弹性浮动和防尘设计减少磨损振动；防碰撞池模组轻量化设计，CAE结构优化使电池壳强度满足要求；电池包自锁紧技术，利用自锁对电池包进行精确锁紧。

新能源汽车电池应该符合安全性能的需求，安全试验要满足热测试（高温、热稳定、无热管理循环、热冲击循环、被动传播电阻），电性测试（短路、过充电和过放电）和机械性测试（冲击、掉落、穿刺、翻滚、浸入、压碎）的安全要求。但是，新能源汽车电池还有很多安全技术需要突破，还需要新能源汽车行业从业人员持续不断的进行研发[2]。

3 热失控后处理措施

在电池热失控报警出现后，电池管理系统会连接汽车CAN系统，当管理系统根据单体电压和温度判断出电池系统热失控后将便向CAN系统周期性地发送告警，此时电池处于热失控状态置。如果新能源汽车在充电状态，电池管理系统退出充电流程并立即断开充电；如果车辆在行车或上高压完成状态，电池管理系统将放电和回馈充电的功率限制为0，请求整车执行下高压指令，电机控制器将在短时间内线性降功为0，IGBT关闭，主驱放电接触器被断开[3]。新能源车接收到热失控的报警后，会采取应急措施。新能源汽车灭火系统通常会根据火灾事故中的温度、烟雾、CO及CO2气体含量等进行火灾的预测，如感烟式火灾探测法、CO气体探测法等。此种方法较简单，但容易漏报和存在火灾检测延迟。图像识别和红外技术火焰报警系统的精度也不高。新能源汽车锂电池的每种检测方法都不那么完美，在特定情况下可能具有较高的探测精度，但是对于以传感器检测信号为输入信号的电动汽车火灾探测系统是完美的解决方案[3]。

基于多传感器数火灾报警系统，通过多传感器采集电动汽车动力锂电 池火灾初期的特征变量，经分析处理后，通过执行单元输出结果。系统硬件主要由数据采集单元、电源单元、主控制器、存储单元、执行单元等组成[4]，系统见图1。

图1 新能源汽车灭火系统

方案设计了基于传感器采集预警信息的新能源汽车电池火灾探测系统，以环境温度、气体浓度、CO浓度、烟雾浓度等做为输入信号的系统，采用多数据融合算法应用于多传感器数据融合，可以有效解决单一传感器不确定性高的问题；通过对多个传感器采集的数据融合，新能源电动汽车动力锂电池火灾预测变得准确高效率，提高系统的可靠性[5]。

4 新能源汽车电池使用与维修

4.1 新能源汽车电池的个工作条件

工作环境温度：-30℃～55℃，存储环境温度：-40℃～55℃，最佳充放电温度：25℃～45℃，每日累计充电电量，尽量不超过额定总电量的1.5倍。

电量保持在约50%，如存放时间超过3个月，推荐对电池包每个月一次性能检测及采用慢充方式进行充放电。由于充电时电芯温度影响充电安全或充电效率，在夏季高温天气充电时，需要车辆静止一段时间后，待电芯温度降低后再进行充电；在冬季低温天气充电时，为了避免电芯温度下降影响充电效率，可以车辆停车后立即插充电枪充电。电池、模组储存环境保持清洁，干燥，阴凉，避免与腐蚀性物体或气体接触。储存温度在20℃～35℃之间，相对湿度≤75%（无水凝结）。电量保持在约50%，如存放时间超过3个月，推荐对电池包每个月一次性能检测及采用慢充方式进行充放电。正负极柱需用绝缘保护件或其他绝缘材料做绝缘，确保无金属裸露。标识清晰，远离火源及热源并做好绝缘。做好防水、防潮、防雨淋防日晒措施。搬运电池前请检查电箱或模组的绝缘性，用万用表测量总正、总负对电池外壳的绝缘电压。搬运时电池包轻抬轻放，正面朝上，电池需放好码紧，不可倒放或斜放。需用专用运载工具搬运，严禁徒手搬移、拖运，破坏电池外观[6]。

4.2 新能源电池充电

必须使用符合国家标准的充电机。充电时请使用“自动充电”功能，严禁使用“手动充电”功能，严禁带载拔枪。禁止在没有安装合理的充电保护装置（锂离子电池保护线路板、电池管理系统等）或使用非厂家认可的充电设备的情况下对电池进行充电，此操作可能导致人身伤害或财产损失；禁止将不同系列电池产品或电池配件与其他型号或类型的电池进行串并联或使用，此操作可能导致人身伤害或财产损失；严禁人为挤压、穿刺或燃烧电池系统行为；维修拆卸高压元器件，需将裸露的金属接口用绝缘材料封住，以免发生短接致使电池包短路或人员触电，而搭接在元器件上面的线束或连接件，需要用绝缘材料及时包裹好。拆卸高压元件，拆下的螺丝用绝缘钳子或佩戴绝缘手套小心取出，禁止用手和磁性螺丝刀直接取出螺丝，螺丝一旦掉落到导电部位，可能会造成正负极短接，甚至起火、触电。

4.3 维修作业

维修作业时禁止脚踩踏电池模组或在模组上放各种维修工具、设备。不合理的使用或操作可能导致电池冒烟起火.如果电池冒烟起火，可使用二氧化碳或者干粉灭火器喷射并用沙土掩埋，或可在远距离使用高压水枪灭火。维修时若发现电池模组鼓胀、漏液情况，需立即停止维修（立即车、电分离），同时联系4S售后服务人员以获得处理方法；电池维修时只能拆卸到模组单元，模组内部结构禁止拆卸。在搬运过程中应防止剧烈振动、冲击、挤压。运输中应保护高低压电气接口，防止碰撞、跌落。严禁任何时候用双手，同时触摸电池箱体的正负极柱。在操作和维护电池系统时需穿戴绝缘手套，严禁佩戴手表等金属饰品。严禁人为对电池进行挤压、刺穿、燃烧等破坏电池系统的行为。在清洗车辆时，应避开高压元器件，避免与水接触后产生不良后果。电池系统的工作环境应无腐蚀性、爆炸性和破坏绝缘的气体或导电尘埃，并远离热源[7]。

5 结论

新能源汽车电池应该符合安全性能的需求，安全试验要满足热测试(高温、热稳定、无热管理循环、热冲击循环、被动传播电阻)，电性测试(短路、过充电和过放电)和机械性测试(冲击、掉落、穿刺、翻滚、浸入、压碎)的安全要求。但是，新能源汽车电池还有很多安全技术需要突破，还需要新能源汽车行业从业人员持续不断的进行研发。