岳仁興 張永強(qiáng) 張志軍 解樂樂 袁玉強(qiáng)

摘要：鋰離子電池?zé)崾Э厥侵匾陌踩L(fēng)險(xiǎn)，影響到鋰離子電池應(yīng)用。通過建立鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警機(jī)制，為工作人員提供熱失控預(yù)警信息，保證電池使用安全性。本文就鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警機(jī)制的設(shè)計(jì)議題進(jìn)行了探討，供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池、熱失控預(yù)警

引言：鋰離子電池是重要的動(dòng)力能源。當(dāng)電池散熱能力沒有增強(qiáng)的情況下，不斷增強(qiáng)電池的產(chǎn)熱能力，無疑會(huì)造成鋰離子電池工作溫度升高，造成電池?zé)崾Э貭顩r，從而給電池使用帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)。通過對電池?zé)崾Э剡^程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)科學(xué)的鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警機(jī)制是降低電池使用風(fēng)險(xiǎn)，降低事故發(fā)生率的重要途徑。

一、鋰電池?zé)崾Э馗拍?/p>

鋰離子電池?zé)崾Э氐母驹蚴请姵毓ぷ鬟^程中產(chǎn)生的熱量比散發(fā)的熱量更多，這種情況下電池內(nèi)部溫度升高，引起電池失效。當(dāng)電池?zé)崾Э貢r(shí)通常是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)沒有得到有效控制，因此以起火、燃燒、爆炸等方式表現(xiàn)出來，引發(fā)電池安全事故。

二、熱失控機(jī)理及過充狀態(tài)下失控過程分析

鋰離子電池內(nèi)部熱失控主要涉及到非正常放熱反應(yīng)，具體包括SEI膜熱分解反應(yīng)、負(fù)極和電解液反應(yīng)、電解液自分解反應(yīng)、正極和電解液反應(yīng)。在電池溫度升高的過程中，首先發(fā)生的反應(yīng)是SEI膜熱分解反應(yīng)。雖然在正常情況下SEI膜有一定的保護(hù)作用，但是它在熱穩(wěn)定性方面并不好。當(dāng)電池溫度升高到90℃或更高時(shí)，SEI膜熱分解反應(yīng)速度就會(huì)加快。隨著SEI膜的溶解，膜分子和溶劑分子會(huì)相互嵌入，使鋰離子在負(fù)極的脫嵌速度降低，影響電池性能。鋰離子在脫離嵌入的過程中受到較大的阻力，電能消耗增加，放熱量增大，溫度不斷升高。此時(shí)包裹在電池負(fù)極表面的固體電解質(zhì)界面膜層不但減少，使電池負(fù)極材料暴露在電解液中。高溫環(huán)境下，電池自組分材料具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，暴露的負(fù)極材料和電解液中的組分迅速發(fā)生反應(yīng)并釋放熱量，使電池溫度進(jìn)一步升高[1]。目前鋰離子電池的電解液包括固態(tài)和液態(tài)兩種。高溫條件下，電池正極材料隨著分解反應(yīng)發(fā)生而逐漸減少，正極材料受熱分解在產(chǎn)生氣體的同時(shí)釋放熱量，使電池溫度呈指數(shù)升高，最終造成電池?zé)崾Э貭顩r。此外，電解液在熱分解過程中會(huì)和電池內(nèi)的組分發(fā)生反應(yīng)，使電池?zé)崾Э剡^程更加復(fù)雜。

當(dāng)電池在過充狀態(tài)時(shí)，鋰離子被還原，金屬鋰的含量不斷增加，堆積成鋰的結(jié)晶物，這種結(jié)晶物不斷成長并生出更多的枝梢，隨著結(jié)晶物的堆積和生長很容易磁盤隔膜造成電池內(nèi)部短路，使電池產(chǎn)生大量氣體并釋放大量的熱，造成電池?zé)崾Э豙2]。

三、鋰電池?zé)崾Э仡A(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)

在對電動(dòng)汽車鋰電池?zé)崾Э仡A(yù)警機(jī)制中采用系統(tǒng)嵌入式的方式，通過建立BMS系統(tǒng)，輸入溫度、電壓、電流探測器等輸入?yún)?shù)，經(jīng)過系統(tǒng)分析后向駕駛?cè)藛T或工作人員輸出熱失控預(yù)警信息。

熱失控預(yù)警的系統(tǒng)架構(gòu)如下：參數(shù)輸入后系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)信息判斷鋰離子電池是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)，如果診斷出電池處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則預(yù)警系統(tǒng)開啟;如果診斷出電池不屬于危險(xiǎn)狀態(tài)，則電動(dòng)汽車正常運(yùn)行。如果診斷出電池處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則繼續(xù)診斷電池是否屬于熱失控狀態(tài)，如果診斷出電池是熱失控狀態(tài)，則立即啟動(dòng)警報(bào);如果診斷出電池不是熱失控狀態(tài)，則判斷電池是否屬于其他的危險(xiǎn)狀態(tài)。在判斷電池是否屬于其他的危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)可設(shè)計(jì)以下四種模型，包括熱濫用模型、電濫用模型、機(jī)械濫用模型、復(fù)合觸發(fā)模型。根據(jù)上述四種模型的分析，判斷電池正在處于哪一種危險(xiǎn)狀態(tài)，從而計(jì)算出電池如果發(fā)生熱失控所需要的時(shí)間。在經(jīng)過上述分析后得出最終的信息，通過顯示端向駕駛?cè)藛T或工作人員輸出電池?zé)崾Э仡A(yù)警信息。

熱失控預(yù)警系統(tǒng)的流程與數(shù)據(jù)流程是相對應(yīng)的。首先，BMS系統(tǒng)收集電池的溫度、電壓、電流等參數(shù)。其次，將收集的參數(shù)輸入到電池?zé)崾Э仡A(yù)警系統(tǒng)中，系統(tǒng)對鋰離子電池是否存在熱失控危險(xiǎn)進(jìn)行診斷。診斷的溫度限制設(shè)定為80℃，當(dāng)實(shí)際溫度值超過80℃時(shí)則判斷電池存在熱失控危險(xiǎn);當(dāng)實(shí)際溫度未超過80℃時(shí)，則判斷電池處于安全狀態(tài)。根據(jù)電池是否存在熱失控危險(xiǎn)來確定熱失控預(yù)警系統(tǒng)是否開啟。如果電池處于相對安全的狀態(tài)，則熱失控預(yù)警系統(tǒng)關(guān)閉，反之，則啟動(dòng)熱失控預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)診斷出電池存在熱失控危險(xiǎn)，此時(shí)熱失控預(yù)警系統(tǒng)啟動(dòng)，然后繼續(xù)對電池溫度進(jìn)行監(jiān)測，同步上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對電池的熱失控風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行分析診斷。如果分析出電池升溫速度超過1℃/s，此時(shí)判定為鋰電池發(fā)生熱失控，立即向駕駛?cè)藛T或工作人員發(fā)出預(yù)警信息。如果系統(tǒng)診斷出鋰電池未發(fā)生熱失控，根據(jù)四種危險(xiǎn)狀態(tài)模型計(jì)算出鋰電池將要發(fā)生熱失控的時(shí)間，向駕駛?cè)藛T或工作人員發(fā)出預(yù)警信息。四種危險(xiǎn)狀態(tài)模型具體選擇哪一種模型的判定參數(shù)為電壓。如果是針刺導(dǎo)致鋰電池發(fā)生熱失控狀況，則電池電壓會(huì)迅速降低至零，因此這種熱失控狀況是由電池過充導(dǎo)致的;其他的電池?zé)崾Э貭顩r都屬于高溫造成的。

在電動(dòng)汽車行駛過程中，儀表盤上顯示BMS系統(tǒng)監(jiān)測到的電池溫度信息，駕駛?cè)藛T或工作人員可以實(shí)時(shí)接收到電池溫度。如果電池溫度快要接近80℃時(shí)，駕駛?cè)藛T或者工作人員可以調(diào)整策略，如果有冷卻系統(tǒng)的話可以開啟電池冷卻系統(tǒng)，這樣就能夠盡早避免電池溫度升高過快引發(fā)電池?zé)崾Э?。如果儀表盤顯示鋰電池溫度超過80℃，則此時(shí)電池?zé)崾Э仡A(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)診斷為熱失控狀態(tài)了，預(yù)警系統(tǒng)處于啟動(dòng)狀態(tài)，儀表盤上顯示電池將要發(fā)生熱失控的時(shí)間參數(shù)，提醒駕駛?cè)藛T或工作人員立即停車，離開電動(dòng)汽車，并采取冷卻滅火措施，避免人員或設(shè)施傷亡。

四、結(jié)語

綜上所述，鋰離子電池是重要的能源動(dòng)力來源，在新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。鋰離子電池?zé)崾Э貭顩r是影響鋰離子電池使用安全的重要威脅。通過鋰電池?zé)崾Э仡A(yù)警機(jī)制的構(gòu)建，利用現(xiàn)代化技術(shù)診斷電池?zé)崾Э匦畔?，及早提醒駕駛?cè)藛T和工作人員，采取安全防控措施，降低惡劣事故發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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[2]高飛.劉皓.吳從榮.汪書萍.范明豪.汪浩.鋰離子電池?zé)岚踩揽丶夹g(shù)的研究進(jìn)展[J].新能源進(jìn)展，2020（1）：15

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