新能源电池的热失控
2022-03-14 22:04:00
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随着我国汽车保有量稳居世界第一，纯电动汽车凭借低噪、环保、节能等特点成为当前发展势头最好的新能源汽车。但新能源汽车的低温性能不足、续航锐减，高温易引发热失控也引起人们的普遍关注。因此具备低温预热、高温冷却的电池热管理系统对车辆性能和行车安全至关重要。如何能够在新能源汽车大势所趋的历史浪潮中，保障最终交付产品的性能和行驶安全，如何加强新能源汽车的能源管理，提高安全水平，成为整个产业亟待解决的问题，也是值得行业内的深思和探究的。
锂离子电池热失控过程会产生由多种可燃组分构成的混合气体，这种热解气一旦被点燃会出现不可控的严重后果。测定锂电池热失控产气的爆炸极限与极限氧浓度，可为储能电站等爆炸性环境的氧浓度控制提供理论依据，有效预防爆炸和火灾事故；也可为地下车库等应用场景的通风设计提供数据支持，提高公共安全性。
温度很大程度上影响了新能源汽车锂动力电池的性能、续航、安全性以及使用寿命，一套完整的电池管理系统可以调整车辆工作时电池组处在相对适合的温度，保证整车具备的优异动力性和足够的续航里程。
锂离子电池的热失控主要是因电池内部温度上升而起。目前商业锂离子电池中应用最广的电解液体系是LiPF6的混合碳酸酯溶液，此类溶剂挥发性高、闪点低、非常容易燃烧。当冲撞或者变形引起的内部短路，大倍率充放电和过充，就会产生大量的热，导致电池温度上升。当达到一定温度时，就会导致一系列分解反应，使电池的热平衡受到破坏。当这些化学反应放出的热量不能及时疏散，便会加剧反应的进行，并引发一连串的自加热副反应。电池温度急剧升高，也就是“热失控”，最终导致电池的燃烧，严重时甚至发生爆炸 。
总的来说，锂离子电池热失控原因主要集中在电解液的热不稳定性，以及电解液与正、负极共存体系的热不稳定性两个大的方面。目前从大的方面来看，安全型锂离子电池主要从外部管理和内部设计两个方面来采取措施，控制内部温度、电压、气压来达到安全目的。1）PTC（正温度系数）元件：在锂离子电池中安装PTC元件，其综合考虑了电池内部的压力和温度，当电池因过充而升温时，电池内阻迅速提高从而限制电流，使正负极之间的电压降为安全电压，实现对电池的自动保护功能。2）防爆阀：当电池由于异常导致内压过大时，防爆阀变形，将置于电池内部用于连接的引线切断，停止充电。
3）电子线路：2~4节的电池组可以预埋电子线路设计锂离子保护器，避免过充及过放电，从而避免安全事故发生，延长电池寿命。
尽管对发生自燃事故起因的探究各方观点不一，到底是模组内个别线束走向不当，引起在极端情况下受到挤压和磨损造成短路；还是电池包与模组之间出现了“结构干涉”，极端条件下出现采样线束短路。但毋庸置疑导致此类事件的“罪魁祸首”是电池模组短路，短路，尤其是内部短路，会使得电池急剧升温，如果此时没有其它控制温度的措施，可能会引发热失控的反应，最终导致热失控，而在电池包标准中，按规定将正负极短接一段时间内，要求电池包是不能热失控的。目前对热失控机理进行了全面的总结，其中可能导致热失控的滥用情况主要包括机械滥用、电气滥用和热滥用。典型机械滥用包括碰撞、挤压和穿刺，会导致电池结构破坏性变形和位移，机械滥用往往会带来内部短路。典型的电气滥用包括外部短路、过度充电和过度放电等。复向检测可开展全套UL9540A检测项目，包括电芯层级、模组层级、机柜层级以及安装层级测试，还配备了辅助运算设施。其中：①电芯层级测试：在定容燃烧弹中将电芯进行加热并触发热失控，采用气相色谱对热失控的气体成分进行分析，进而开展热失控气体的爆炸极限测试；②模组层级测试：在模组内对电芯进行加热并触发热失控并导致对其他电芯的热蔓延，对热失控后的模组所释放出的气体进行全面分析，可在线检测氧气含量、总碳氯气体含量等从而出具模组的全面风险分析报告。③机柜层级测试：对安装在电池簇中的模组内部的电芯进行加热，通过多种精密的气体分析仪器，对热失控后的模组所释放出的气体进行全面分析；④安装层级测试：用于评估根据规范要求安装的喷淋防火和消防系统的有效性。
