新能源汽車動(dòng)力電池?zé)崾Э匮芯糠治?/h1>
2022-04-13 03:10:40鮑曉東張仙妮劉國(guó)強(qiáng)
機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新 2022年2期
鮑曉東，張仙妮，劉國(guó)強(qiáng)
（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京 100042；2.北京汽車藍(lán)谷營(yíng)銷服務(wù)有限公司，北京 100176）
0 引言
隨著新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展，新能源汽車保有量越來(lái)越大。我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力明顯提高，我國(guó)新能源汽車在三電領(lǐng)域都取得了關(guān)鍵性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，新能源純電動(dòng)車平均電耗降至11.0kWh/100km。新能源汽車的保有量增大降低了對(duì)環(huán)境的污染，但是汽車火災(zāi)的頻頻發(fā)生也對(duì)人們的人身生命安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅?；馂?zāi)事故對(duì)消費(fèi)者購(gòu)買新能源汽車的信心造成了極大的信心，阻礙了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然新能源汽車電池故障率能夠降低到1/10，000，000，但是電池組熱失火的事故仍層出不窮。新能源汽車電池安全隱患誘因主要是電池內(nèi)短路、化學(xué)、物理、機(jī)械等因素造成的。
1 故障背景及問(wèn)題描述
新能源汽車熱失控的原因是BMS熱管理失控，新能源汽車電池在充放電時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，由于產(chǎn)生的熱在電池內(nèi)部聚集，熱量沒(méi)有能夠迅速排出，功率會(huì)逐漸降低，甚至存在發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
2 失火原因分析
2.1 熱量散熱失控
在高溫環(huán)境下，因?yàn)殇囯x子電池自身的結(jié)構(gòu)特征，SEI膜、電解液等會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，正極、負(fù)極會(huì)和電解液的分解物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)使電芯隔膜分解融化，多種化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。大量的熱會(huì)使隔膜融化最終使內(nèi)部短路，電能量和熱量會(huì)相互促進(jìn)產(chǎn)生大量的熱。這種負(fù)面作用會(huì)使電芯防爆膜破裂，噴出電解液，使汽車起火燃燒。新能源汽車電池的熱誘因主要是外部環(huán)境溫度高引起外部起火，造成電池散熱不暢等。
2.1.1 溫度（外部環(huán)境）
電池升溫受許多因素影響，外在因素有外部環(huán)境溫度和電池自身散熱方式；內(nèi)因也有充放電倍率、內(nèi)阻、放電深度DOD、SOC和容量等。 如果外部環(huán)境溫度高，會(huì)使電池散熱系統(tǒng)效率低下，散熱效果變差。對(duì)于大容量純電動(dòng)汽車風(fēng)冷系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)散熱的要求。
2.1.2 散熱方式
熱失控預(yù)防一般使用風(fēng)冷和液冷相互融合的散熱方式，如果效果不好會(huì)影響散熱。
2.1.3 充放電倍率
充放電倍率變高，電流會(huì)變大，內(nèi)阻增大，熱量越多。高倍率充電的時(shí)候，電池產(chǎn)生熱的速度加快，那么散熱系統(tǒng)的熱量如果沒(méi)有及時(shí)排出，將會(huì)積累增多。
2.1.4 內(nèi)阻
越是大的內(nèi)阻，充電的效率越低，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量堆積。在SOC小于20%的情況，內(nèi)阻會(huì)增大，這時(shí)候應(yīng)該是電池輸出功率降低，電池安全得到保護(hù)。
2.1.5 容量
越是大容量電池，會(huì)有很多的電化學(xué)反應(yīng)，熱量越多，散熱功率就需要很大，如果散熱不能滿足，產(chǎn)生的熱會(huì)越積越多。
新能源汽車熱失控具有復(fù)雜的反應(yīng)，SEI膜的分解會(huì)使電池的熱量累積，會(huì)使隔膜分解和熔斷，因此正負(fù)極和電解液電解液會(huì)產(chǎn)生放熱等反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中的任何步驟改善都能使熱穩(wěn)定性和電池安全性提高。改造SEI膜界面，初始放熱溫度提高；選用具有高的熔斷溫度和低的內(nèi)阻陶瓷隔膜；相變材料散熱散熱方式。這些技術(shù)都能增加電池?zé)岱€(wěn)定性，給新能源汽車的未來(lái)保駕護(hù)航。
根據(jù)這種情況，電池廠家需要從兩個(gè)方面來(lái)解決問(wèn)題：電池設(shè)計(jì)和BMS電池管理系統(tǒng)。在電池設(shè)計(jì)方面，可以開發(fā)材的料來(lái)是防止熱失控的，熱失控的反應(yīng)能夠受到阻斷；在電池管理系統(tǒng)方面，需要預(yù)測(cè)溫度范圍，定義不同的安全等級(jí)，需要進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。
乘用電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池都具有熱管理系統(tǒng)，同時(shí)采用風(fēng)冷或者水冷方案為電池系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。對(duì)車主而言，在汽車駕駛習(xí)慣上消除熱誘因，可以避免陽(yáng)光直射照射車輛、易燃物不要放置在車內(nèi)等，同時(shí)車內(nèi)常備車載滅火器，消除著火因素。還要經(jīng)常電池溫度信息在關(guān)注儀表板或中控屏上數(shù)值，新能源汽車電池單體的工作溫度在40℃～50℃之間，電池不在這個(gè)溫度范圍都是對(duì)壽命影響的。
2.2 電化學(xué)因素
由于在制造環(huán)節(jié)可能含有雜質(zhì)、金屬顆粒、電池充放電膨脹和收縮、析鋰有可能造成電池內(nèi)部短路。這種內(nèi)部短路的發(fā)生是非常緩慢，時(shí)間很長(zhǎng)，而且其出現(xiàn)熱失控不知道什么時(shí)候會(huì)爆發(fā)。如果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重復(fù)驗(yàn)證無(wú)法進(jìn)行。全球新能源專家還沒(méi)有找到相關(guān)證據(jù)，證明其電池內(nèi)部短路的確切證據(jù)。
首先要提升生產(chǎn)制造水平，降低制造電池環(huán)節(jié)中的雜質(zhì)。這個(gè)問(wèn)題要解決，電池廠商就需要選擇其產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良的，同時(shí)安全預(yù)測(cè)內(nèi)短路情況，需要在電池發(fā)生熱失控之前，找到有內(nèi)短路發(fā)生可能的單體。特征參數(shù)是需要確定的，需要從一致性開始。如果電池有差異的，內(nèi)部阻值也是有差異的，只需要找到中間有差異的單體，就可以性能變差的電池單體找出來(lái)。發(fā)生了微短路的等效電路和良好的一個(gè)電池的等效電路，在方程的形式實(shí)際上是一樣的，只是微短路的單體、正常單體的參數(shù)發(fā)生了改變。需要對(duì)這些參數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究，研究其在內(nèi)部短路一些特征參數(shù)變化。
新能源電池負(fù)極上如果嵌入大量鋰離子是在滿電狀態(tài)的，過(guò)充后，析鋰現(xiàn)象就會(huì)在負(fù)極片上產(chǎn)生，針狀的鋰金屬結(jié)晶就會(huì)出現(xiàn)，隔膜會(huì)被刺穿而引發(fā)短路。BMS電池管理系統(tǒng)都會(huì)對(duì)電池過(guò)充有保護(hù)策略技術(shù)，在管理系統(tǒng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到閾值時(shí)侯，充電回路就會(huì)關(guān)斷，電池就會(huì)被保護(hù)。在出廠之前，汽車廠商對(duì)BMS都會(huì)進(jìn)行多項(xiàng)電性能測(cè)試，為了防止發(fā)生意外火災(zāi)，不能對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行過(guò)充電，充電過(guò)程中選用正規(guī)的充電設(shè)備，消除過(guò)充隱患。
2.3 機(jī)械電氣因素
汽車發(fā)生碰撞事故會(huì)引起電池受到損傷。碰撞是機(jī)械觸發(fā)熱失控的一種非常典型的方式，電池受碰撞損失的時(shí)會(huì)引發(fā)內(nèi)部?jī)?nèi)短路造成電池?zé)崾Э?，此種類型的短路與電化學(xué)誘因引發(fā)的短路是不相同的，瞬間突然發(fā)生的機(jī)械損傷事故，會(huì)引起車輛的碰撞、側(cè)翻，擠壓等都會(huì)引起電池在端時(shí)間內(nèi)發(fā)生機(jī)械損壞。
在維修方面可以使電池側(cè)面夾上鐵板并用螺栓緊固（鐵板要夾在電池極板平面對(duì)應(yīng)的電池側(cè)面），在溫度升高的情況下電池槽不發(fā)生膨脹，電池內(nèi)部的氧氣通道不會(huì)隨著溫度提高變大，會(huì)使電池的氧復(fù)合反應(yīng)不會(huì)發(fā)展很迅速。隨著電池溫度增加，電池的散熱速度也會(huì)加快，最終電池散熱速度與電池生熱速度相互平衡，從而阻止了電池?zé)崾Э豙1]。
在設(shè)計(jì)方面電解決碰撞引起的熱失控的最好辦法池的結(jié)構(gòu)安全性保護(hù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)裝配式結(jié)構(gòu)：支撐框架和鋼帶預(yù)緊的組裝結(jié)構(gòu)以及高強(qiáng)度骨架；可靠性設(shè)計(jì)：利用電池包隔振裝置、彈性浮動(dòng)和防塵設(shè)計(jì)減少磨損振動(dòng)；防碰撞池模組輕量化設(shè)計(jì)，CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化使電池殼強(qiáng)度滿足要求；電池包自鎖緊技術(shù)，利用自鎖對(duì)電池包進(jìn)行精確鎖緊。
新能源汽車電池應(yīng)該符合安全性能的需求，安全試驗(yàn)要滿足熱測(cè)試（高溫、熱穩(wěn)定、無(wú)熱管理循環(huán)、熱沖擊循環(huán)、被動(dòng)傳播電阻），電性測(cè)試（短路、過(guò)充電和過(guò)放電）和機(jī)械性測(cè)試（沖擊、掉落、穿刺、翻滾、浸入、壓碎）的安全要求。但是，新能源汽車電池還有很多安全技術(shù)需要突破，還需要新能源汽車行業(yè)從業(yè)人員持續(xù)不斷的進(jìn)行研發(fā)[2]。
3 熱失控后處理措施
在電池?zé)崾Э貓?bào)警出現(xiàn)后，電池管理系統(tǒng)會(huì)連接汽車CAN系統(tǒng)，當(dāng)管理系統(tǒng)根據(jù)單體電壓和溫度判斷出電池系統(tǒng)熱失控后將便向CAN系統(tǒng)周期性地發(fā)送告警，此時(shí)電池處于熱失控狀態(tài)置。如果新能源汽車在充電狀態(tài)，電池管理系統(tǒng)退出充電流程并立即斷開充電；如果車輛在行車或上高壓完成狀態(tài)，電池管理系統(tǒng)將放電和回饋充電的功率限制為0，請(qǐng)求整車執(zhí)行下高壓指令，電機(jī)控制器將在短時(shí)間內(nèi)線性降功為0，IGBT關(guān)閉，主驅(qū)放電接觸器被斷開[3]。新能源車接收到熱失控的報(bào)警后，會(huì)采取應(yīng)急措施。新能源汽車滅火系統(tǒng)通常會(huì)根據(jù)火災(zāi)事故中的溫度、煙霧、CO及CO2氣體含量等進(jìn)行火災(zāi)的預(yù)測(cè)，如感煙式火災(zāi)探測(cè)法、CO氣體探測(cè)法等。此種方法較簡(jiǎn)單，但容易漏報(bào)和存在火災(zāi)檢測(cè)延遲。圖像識(shí)別和紅外技術(shù)火焰報(bào)警系統(tǒng)的精度也不高。新能源汽車鋰電池的每種檢測(cè)方法都不那么完美，在特定情況下可能具有較高的探測(cè)精度，但是對(duì)于以傳感器檢測(cè)信號(hào)為輸入信號(hào)的電動(dòng)汽車火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)是完美的解決方案[3]。
基于多傳感器數(shù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)多傳感器采集電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電 池火災(zāi)初期的特征變量，經(jīng)分析處理后，通過(guò)執(zhí)行單元輸出結(jié)果。系統(tǒng)硬件主要由數(shù)據(jù)采集單元、電源單元、主控制器、存儲(chǔ)單元、執(zhí)行單元等組成[4]，系統(tǒng)見(jiàn)圖1。
圖1 新能源汽車滅火系統(tǒng)
方案設(shè)計(jì)了基于傳感器采集預(yù)警信息的新能源汽車電池火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，以環(huán)境溫度、氣體濃度、CO濃度、煙霧濃度等做為輸入信號(hào)的系統(tǒng)，采用多數(shù)據(jù)融合算法應(yīng)用于多傳感器數(shù)據(jù)融合，可以有效解決單一傳感器不確定性高的問(wèn)題；通過(guò)對(duì)多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)融合，新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)預(yù)測(cè)變得準(zhǔn)確高效率，提高系統(tǒng)的可靠性[5]。
4 新能源汽車電池使用與維修
4.1 新能源汽車電池的個(gè)工作條件
工作環(huán)境溫度：-30℃～55℃，存儲(chǔ)環(huán)境溫度：-40℃～55℃，最佳充放電溫度：25℃～45℃，每日累計(jì)充電電量，盡量不超過(guò)額定總電量的1.5倍。
電量保持在約50%，如存放時(shí)間超過(guò)3個(gè)月，推薦對(duì)電池包每個(gè)月一次性能檢測(cè)及采用慢充方式進(jìn)行充放電。由于充電時(shí)電芯溫度影響充電安全或充電效率，在夏季高溫天氣充電時(shí)，需要車輛靜止一段時(shí)間后，待電芯溫度降低后再進(jìn)行充電；在冬季低溫天氣充電時(shí)，為了避免電芯溫度下降影響充電效率，可以車輛停車后立即插充電槍充電。電池、模組儲(chǔ)存環(huán)境保持清潔，干燥，陰涼，避免與腐蝕性物體或氣體接觸。儲(chǔ)存溫度在20℃～35℃之間，相對(duì)濕度≤75%（無(wú)水凝結(jié)）。電量保持在約50%，如存放時(shí)間超過(guò)3個(gè)月，推薦對(duì)電池包每個(gè)月一次性能檢測(cè)及采用慢充方式進(jìn)行充放電。正負(fù)極柱需用絕緣保護(hù)件或其他絕緣材料做絕緣，確保無(wú)金屬裸露。標(biāo)識(shí)清晰，遠(yuǎn)離火源及熱源并做好絕緣。做好防水、防潮、防雨淋防日曬措施。搬運(yùn)電池前請(qǐng)檢查電箱或模組的絕緣性，用萬(wàn)用表測(cè)量總正、總負(fù)對(duì)電池外殼的絕緣電壓。搬運(yùn)時(shí)電池包輕抬輕放，正面朝上，電池需放好碼緊，不可倒放或斜放。需用專用運(yùn)載工具搬運(yùn)，嚴(yán)禁徒手搬移、拖運(yùn)，破壞電池外觀[6]。
4.2 新能源電池充電
必須使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的充電機(jī)。充電時(shí)請(qǐng)使用“自動(dòng)充電”功能，嚴(yán)禁使用“手動(dòng)充電”功能，嚴(yán)禁帶載拔槍。禁止在沒(méi)有安裝合理的充電保護(hù)裝置（鋰離子電池保護(hù)線路板、電池管理系統(tǒng)等）或使用非廠家認(rèn)可的充電設(shè)備的情況下對(duì)電池進(jìn)行充電，此操作可能導(dǎo)致人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失；禁止將不同系列電池產(chǎn)品或電池配件與其他型號(hào)或類型的電池進(jìn)行串并聯(lián)或使用，此操作可能導(dǎo)致人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失；嚴(yán)禁人為擠壓、穿刺或燃燒電池系統(tǒng)行為；維修拆卸高壓元器件，需將裸露的金屬接口用絕緣材料封住，以免發(fā)生短接致使電池包短路或人員觸電，而搭接在元器件上面的線束或連接件，需要用絕緣材料及時(shí)包裹好。拆卸高壓元件，拆下的螺絲用絕緣鉗子或佩戴絕緣手套小心取出，禁止用手和磁性螺絲刀直接取出螺絲，螺絲一旦掉落到導(dǎo)電部位，可能會(huì)造成正負(fù)極短接，甚至起火、觸電。
4.3 維修作業(yè)
維修作業(yè)時(shí)禁止腳踩踏電池模組或在模組上放各種維修工具、設(shè)備。不合理的使用或操作可能導(dǎo)致電池冒煙起火.如果電池冒煙起火，可使用二氧化碳或者干粉滅火器噴射并用沙土掩埋，或可在遠(yuǎn)距離使用高壓水槍滅火。維修時(shí)若發(fā)現(xiàn)電池模組鼓脹、漏液情況，需立即停止維修（立即車、電分離），同時(shí)聯(lián)系4S售后服務(wù)人員以獲得處理方法；電池維修時(shí)只能拆卸到模組單元，模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)禁止拆卸。在搬運(yùn)過(guò)程中應(yīng)防止劇烈振動(dòng)、沖擊、擠壓。運(yùn)輸中應(yīng)保護(hù)高低壓電氣接口，防止碰撞、跌落。嚴(yán)禁任何時(shí)候用雙手，同時(shí)觸摸電池箱體的正負(fù)極柱。在操作和維護(hù)電池系統(tǒng)時(shí)需穿戴絕緣手套，嚴(yán)禁佩戴手表等金屬飾品。嚴(yán)禁人為對(duì)電池進(jìn)行擠壓、刺穿、燃燒等破壞電池系統(tǒng)的行為。在清洗車輛時(shí)，應(yīng)避開高壓元器件，避免與水接觸后產(chǎn)生不良后果。電池系統(tǒng)的工作環(huán)境應(yīng)無(wú)腐蝕性、爆炸性和破壞絕緣的氣體或?qū)щ妷m埃，并遠(yuǎn)離熱源[7]。
5 結(jié)論
新能源汽車電池應(yīng)該符合安全性能的需求，安全試驗(yàn)要滿足熱測(cè)試(高溫、熱穩(wěn)定、無(wú)熱管理循環(huán)、熱沖擊循環(huán)、被動(dòng)傳播電阻)，電性測(cè)試(短路、過(guò)充電和過(guò)放電)和機(jī)械性測(cè)試(沖擊、掉落、穿刺、翻滾、浸入、壓碎)的安全要求。但是，新能源汽車電池還有很多安全技術(shù)需要突破，還需要新能源汽車行業(yè)從業(yè)人員持續(xù)不斷的進(jìn)行研發(fā)。
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隨著新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展，新能源汽車保有量越來(lái)越大。我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力明顯提高，我國(guó)新能源汽車在三電領(lǐng)域都取得了關(guān)鍵性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，新能源純電動(dòng)車平均電耗降至11.0kWh/100km。新能源汽車的保有量增大降低了對(duì)環(huán)境的污染，但是汽車火災(zāi)的頻頻發(fā)生也對(duì)人們的人身生命安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅?；馂?zāi)事故對(duì)消費(fèi)者購(gòu)買新能源汽車的信心造成了極大的信心，阻礙了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然新能源汽車電池故障率能夠降低到1/10，000，000，但是電池組熱失火的事故仍層出不窮。新能源汽車電池安全隱患誘因主要是電池內(nèi)短路、化學(xué)、物理、機(jī)械等因素造成的。
1 故障背景及問(wèn)題描述
新能源汽車熱失控的原因是BMS熱管理失控，新能源汽車電池在充放電時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，由于產(chǎn)生的熱在電池內(nèi)部聚集，熱量沒(méi)有能夠迅速排出，功率會(huì)逐漸降低，甚至存在發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
2 失火原因分析
2.1 熱量散熱失控
在高溫環(huán)境下，因?yàn)殇囯x子電池自身的結(jié)構(gòu)特征，SEI膜、電解液等會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，正極、負(fù)極會(huì)和電解液的分解物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)使電芯隔膜分解融化，多種化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。大量的熱會(huì)使隔膜融化最終使內(nèi)部短路，電能量和熱量會(huì)相互促進(jìn)產(chǎn)生大量的熱。這種負(fù)面作用會(huì)使電芯防爆膜破裂，噴出電解液，使汽車起火燃燒。新能源汽車電池的熱誘因主要是外部環(huán)境溫度高引起外部起火，造成電池散熱不暢等。
2.1.1 溫度（外部環(huán)境）
電池升溫受許多因素影響，外在因素有外部環(huán)境溫度和電池自身散熱方式；內(nèi)因也有充放電倍率、內(nèi)阻、放電深度DOD、SOC和容量等。 如果外部環(huán)境溫度高，會(huì)使電池散熱系統(tǒng)效率低下，散熱效果變差。對(duì)于大容量純電動(dòng)汽車風(fēng)冷系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)散熱的要求。
2.1.2 散熱方式
熱失控預(yù)防一般使用風(fēng)冷和液冷相互融合的散熱方式，如果效果不好會(huì)影響散熱。
2.1.3 充放電倍率
充放電倍率變高，電流會(huì)變大，內(nèi)阻增大，熱量越多。高倍率充電的時(shí)候，電池產(chǎn)生熱的速度加快，那么散熱系統(tǒng)的熱量如果沒(méi)有及時(shí)排出，將會(huì)積累增多。
2.1.4 內(nèi)阻
越是大的內(nèi)阻，充電的效率越低，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量堆積。在SOC小于20%的情況，內(nèi)阻會(huì)增大，這時(shí)候應(yīng)該是電池輸出功率降低，電池安全得到保護(hù)。
2.1.5 容量
越是大容量電池，會(huì)有很多的電化學(xué)反應(yīng)，熱量越多，散熱功率就需要很大，如果散熱不能滿足，產(chǎn)生的熱會(huì)越積越多。
新能源汽車熱失控具有復(fù)雜的反應(yīng)，SEI膜的分解會(huì)使電池的熱量累積，會(huì)使隔膜分解和熔斷，因此正負(fù)極和電解液電解液會(huì)產(chǎn)生放熱等反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中的任何步驟改善都能使熱穩(wěn)定性和電池安全性提高。改造SEI膜界面，初始放熱溫度提高；選用具有高的熔斷溫度和低的內(nèi)阻陶瓷隔膜；相變材料散熱散熱方式。這些技術(shù)都能增加電池?zé)岱€(wěn)定性，給新能源汽車的未來(lái)保駕護(hù)航。
根據(jù)這種情況，電池廠家需要從兩個(gè)方面來(lái)解決問(wèn)題：電池設(shè)計(jì)和BMS電池管理系統(tǒng)。在電池設(shè)計(jì)方面，可以開發(fā)材的料來(lái)是防止熱失控的，熱失控的反應(yīng)能夠受到阻斷；在電池管理系統(tǒng)方面，需要預(yù)測(cè)溫度范圍，定義不同的安全等級(jí)，需要進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。
乘用電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池都具有熱管理系統(tǒng)，同時(shí)采用風(fēng)冷或者水冷方案為電池系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。對(duì)車主而言，在汽車駕駛習(xí)慣上消除熱誘因，可以避免陽(yáng)光直射照射車輛、易燃物不要放置在車內(nèi)等，同時(shí)車內(nèi)常備車載滅火器，消除著火因素。還要經(jīng)常電池溫度信息在關(guān)注儀表板或中控屏上數(shù)值，新能源汽車電池單體的工作溫度在40℃～50℃之間，電池不在這個(gè)溫度范圍都是對(duì)壽命影響的。
2.2 電化學(xué)因素
由于在制造環(huán)節(jié)可能含有雜質(zhì)、金屬顆粒、電池充放電膨脹和收縮、析鋰有可能造成電池內(nèi)部短路。這種內(nèi)部短路的發(fā)生是非常緩慢，時(shí)間很長(zhǎng)，而且其出現(xiàn)熱失控不知道什么時(shí)候會(huì)爆發(fā)。如果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重復(fù)驗(yàn)證無(wú)法進(jìn)行。全球新能源專家還沒(méi)有找到相關(guān)證據(jù)，證明其電池內(nèi)部短路的確切證據(jù)。
首先要提升生產(chǎn)制造水平，降低制造電池環(huán)節(jié)中的雜質(zhì)。這個(gè)問(wèn)題要解決，電池廠商就需要選擇其產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良的，同時(shí)安全預(yù)測(cè)內(nèi)短路情況，需要在電池發(fā)生熱失控之前，找到有內(nèi)短路發(fā)生可能的單體。特征參數(shù)是需要確定的，需要從一致性開始。如果電池有差異的，內(nèi)部阻值也是有差異的，只需要找到中間有差異的單體，就可以性能變差的電池單體找出來(lái)。發(fā)生了微短路的等效電路和良好的一個(gè)電池的等效電路，在方程的形式實(shí)際上是一樣的，只是微短路的單體、正常單體的參數(shù)發(fā)生了改變。需要對(duì)這些參數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究，研究其在內(nèi)部短路一些特征參數(shù)變化。
新能源電池負(fù)極上如果嵌入大量鋰離子是在滿電狀態(tài)的，過(guò)充后，析鋰現(xiàn)象就會(huì)在負(fù)極片上產(chǎn)生，針狀的鋰金屬結(jié)晶就會(huì)出現(xiàn)，隔膜會(huì)被刺穿而引發(fā)短路。BMS電池管理系統(tǒng)都會(huì)對(duì)電池過(guò)充有保護(hù)策略技術(shù)，在管理系統(tǒng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到閾值時(shí)侯，充電回路就會(huì)關(guān)斷，電池就會(huì)被保護(hù)。在出廠之前，汽車廠商對(duì)BMS都會(huì)進(jìn)行多項(xiàng)電性能測(cè)試，為了防止發(fā)生意外火災(zāi)，不能對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行過(guò)充電，充電過(guò)程中選用正規(guī)的充電設(shè)備，消除過(guò)充隱患。
2.3 機(jī)械電氣因素
汽車發(fā)生碰撞事故會(huì)引起電池受到損傷。碰撞是機(jī)械觸發(fā)熱失控的一種非常典型的方式，電池受碰撞損失的時(shí)會(huì)引發(fā)內(nèi)部?jī)?nèi)短路造成電池?zé)崾Э?，此種類型的短路與電化學(xué)誘因引發(fā)的短路是不相同的，瞬間突然發(fā)生的機(jī)械損傷事故，會(huì)引起車輛的碰撞、側(cè)翻，擠壓等都會(huì)引起電池在端時(shí)間內(nèi)發(fā)生機(jī)械損壞。
在維修方面可以使電池側(cè)面夾上鐵板并用螺栓緊固（鐵板要夾在電池極板平面對(duì)應(yīng)的電池側(cè)面），在溫度升高的情況下電池槽不發(fā)生膨脹，電池內(nèi)部的氧氣通道不會(huì)隨著溫度提高變大，會(huì)使電池的氧復(fù)合反應(yīng)不會(huì)發(fā)展很迅速。隨著電池溫度增加，電池的散熱速度也會(huì)加快，最終電池散熱速度與電池生熱速度相互平衡，從而阻止了電池?zé)崾Э豙1]。
在設(shè)計(jì)方面電解決碰撞引起的熱失控的最好辦法池的結(jié)構(gòu)安全性保護(hù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)裝配式結(jié)構(gòu)：支撐框架和鋼帶預(yù)緊的組裝結(jié)構(gòu)以及高強(qiáng)度骨架；可靠性設(shè)計(jì)：利用電池包隔振裝置、彈性浮動(dòng)和防塵設(shè)計(jì)減少磨損振動(dòng)；防碰撞池模組輕量化設(shè)計(jì)，CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化使電池殼強(qiáng)度滿足要求；電池包自鎖緊技術(shù)，利用自鎖對(duì)電池包進(jìn)行精確鎖緊。
新能源汽車電池應(yīng)該符合安全性能的需求，安全試驗(yàn)要滿足熱測(cè)試（高溫、熱穩(wěn)定、無(wú)熱管理循環(huán)、熱沖擊循環(huán)、被動(dòng)傳播電阻），電性測(cè)試（短路、過(guò)充電和過(guò)放電）和機(jī)械性測(cè)試（沖擊、掉落、穿刺、翻滾、浸入、壓碎）的安全要求。但是，新能源汽車電池還有很多安全技術(shù)需要突破，還需要新能源汽車行業(yè)從業(yè)人員持續(xù)不斷的進(jìn)行研發(fā)[2]。
3 熱失控后處理措施
在電池?zé)崾Э貓?bào)警出現(xiàn)后，電池管理系統(tǒng)會(huì)連接汽車CAN系統(tǒng)，當(dāng)管理系統(tǒng)根據(jù)單體電壓和溫度判斷出電池系統(tǒng)熱失控后將便向CAN系統(tǒng)周期性地發(fā)送告警，此時(shí)電池處于熱失控狀態(tài)置。如果新能源汽車在充電狀態(tài)，電池管理系統(tǒng)退出充電流程并立即斷開充電；如果車輛在行車或上高壓完成狀態(tài)，電池管理系統(tǒng)將放電和回饋充電的功率限制為0，請(qǐng)求整車執(zhí)行下高壓指令，電機(jī)控制器將在短時(shí)間內(nèi)線性降功為0，IGBT關(guān)閉，主驅(qū)放電接觸器被斷開[3]。新能源車接收到熱失控的報(bào)警后，會(huì)采取應(yīng)急措施。新能源汽車滅火系統(tǒng)通常會(huì)根據(jù)火災(zāi)事故中的溫度、煙霧、CO及CO2氣體含量等進(jìn)行火災(zāi)的預(yù)測(cè)，如感煙式火災(zāi)探測(cè)法、CO氣體探測(cè)法等。此種方法較簡(jiǎn)單，但容易漏報(bào)和存在火災(zāi)檢測(cè)延遲。圖像識(shí)別和紅外技術(shù)火焰報(bào)警系統(tǒng)的精度也不高。新能源汽車鋰電池的每種檢測(cè)方法都不那么完美，在特定情況下可能具有較高的探測(cè)精度，但是對(duì)于以傳感器檢測(cè)信號(hào)為輸入信號(hào)的電動(dòng)汽車火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)是完美的解決方案[3]。
基于多傳感器數(shù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)多傳感器采集電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電 池火災(zāi)初期的特征變量，經(jīng)分析處理后，通過(guò)執(zhí)行單元輸出結(jié)果。系統(tǒng)硬件主要由數(shù)據(jù)采集單元、電源單元、主控制器、存儲(chǔ)單元、執(zhí)行單元等組成[4]，系統(tǒng)見(jiàn)圖1。
圖1 新能源汽車滅火系統(tǒng)
方案設(shè)計(jì)了基于傳感器采集預(yù)警信息的新能源汽車電池火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，以環(huán)境溫度、氣體濃度、CO濃度、煙霧濃度等做為輸入信號(hào)的系統(tǒng)，采用多數(shù)據(jù)融合算法應(yīng)用于多傳感器數(shù)據(jù)融合，可以有效解決單一傳感器不確定性高的問(wèn)題；通過(guò)對(duì)多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)融合，新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)預(yù)測(cè)變得準(zhǔn)確高效率，提高系統(tǒng)的可靠性[5]。
4 新能源汽車電池使用與維修
4.1 新能源汽車電池的個(gè)工作條件
工作環(huán)境溫度：-30℃～55℃，存儲(chǔ)環(huán)境溫度：-40℃～55℃，最佳充放電溫度：25℃～45℃，每日累計(jì)充電電量，盡量不超過(guò)額定總電量的1.5倍。
電量保持在約50%，如存放時(shí)間超過(guò)3個(gè)月，推薦對(duì)電池包每個(gè)月一次性能檢測(cè)及采用慢充方式進(jìn)行充放電。由于充電時(shí)電芯溫度影響充電安全或充電效率，在夏季高溫天氣充電時(shí)，需要車輛靜止一段時(shí)間后，待電芯溫度降低后再進(jìn)行充電；在冬季低溫天氣充電時(shí)，為了避免電芯溫度下降影響充電效率，可以車輛停車后立即插充電槍充電。電池、模組儲(chǔ)存環(huán)境保持清潔，干燥，陰涼，避免與腐蝕性物體或氣體接觸。儲(chǔ)存溫度在20℃～35℃之間，相對(duì)濕度≤75%（無(wú)水凝結(jié)）。電量保持在約50%，如存放時(shí)間超過(guò)3個(gè)月，推薦對(duì)電池包每個(gè)月一次性能檢測(cè)及采用慢充方式進(jìn)行充放電。正負(fù)極柱需用絕緣保護(hù)件或其他絕緣材料做絕緣，確保無(wú)金屬裸露。標(biāo)識(shí)清晰，遠(yuǎn)離火源及熱源并做好絕緣。做好防水、防潮、防雨淋防日曬措施。搬運(yùn)電池前請(qǐng)檢查電箱或模組的絕緣性，用萬(wàn)用表測(cè)量總正、總負(fù)對(duì)電池外殼的絕緣電壓。搬運(yùn)時(shí)電池包輕抬輕放，正面朝上，電池需放好碼緊，不可倒放或斜放。需用專用運(yùn)載工具搬運(yùn)，嚴(yán)禁徒手搬移、拖運(yùn)，破壞電池外觀[6]。
4.2 新能源電池充電
必須使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的充電機(jī)。充電時(shí)請(qǐng)使用“自動(dòng)充電”功能，嚴(yán)禁使用“手動(dòng)充電”功能，嚴(yán)禁帶載拔槍。禁止在沒(méi)有安裝合理的充電保護(hù)裝置（鋰離子電池保護(hù)線路板、電池管理系統(tǒng)等）或使用非廠家認(rèn)可的充電設(shè)備的情況下對(duì)電池進(jìn)行充電，此操作可能導(dǎo)致人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失；禁止將不同系列電池產(chǎn)品或電池配件與其他型號(hào)或類型的電池進(jìn)行串并聯(lián)或使用，此操作可能導(dǎo)致人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失；嚴(yán)禁人為擠壓、穿刺或燃燒電池系統(tǒng)行為；維修拆卸高壓元器件，需將裸露的金屬接口用絕緣材料封住，以免發(fā)生短接致使電池包短路或人員觸電，而搭接在元器件上面的線束或連接件，需要用絕緣材料及時(shí)包裹好。拆卸高壓元件，拆下的螺絲用絕緣鉗子或佩戴絕緣手套小心取出，禁止用手和磁性螺絲刀直接取出螺絲，螺絲一旦掉落到導(dǎo)電部位，可能會(huì)造成正負(fù)極短接，甚至起火、觸電。
4.3 維修作業(yè)
維修作業(yè)時(shí)禁止腳踩踏電池模組或在模組上放各種維修工具、設(shè)備。不合理的使用或操作可能導(dǎo)致電池冒煙起火.如果電池冒煙起火，可使用二氧化碳或者干粉滅火器噴射并用沙土掩埋，或可在遠(yuǎn)距離使用高壓水槍滅火。維修時(shí)若發(fā)現(xiàn)電池模組鼓脹、漏液情況，需立即停止維修（立即車、電分離），同時(shí)聯(lián)系4S售后服務(wù)人員以獲得處理方法；電池維修時(shí)只能拆卸到模組單元，模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)禁止拆卸。在搬運(yùn)過(guò)程中應(yīng)防止劇烈振動(dòng)、沖擊、擠壓。運(yùn)輸中應(yīng)保護(hù)高低壓電氣接口，防止碰撞、跌落。嚴(yán)禁任何時(shí)候用雙手，同時(shí)觸摸電池箱體的正負(fù)極柱。在操作和維護(hù)電池系統(tǒng)時(shí)需穿戴絕緣手套，嚴(yán)禁佩戴手表等金屬飾品。嚴(yán)禁人為對(duì)電池進(jìn)行擠壓、刺穿、燃燒等破壞電池系統(tǒng)的行為。在清洗車輛時(shí)，應(yīng)避開高壓元器件，避免與水接觸后產(chǎn)生不良后果。電池系統(tǒng)的工作環(huán)境應(yīng)無(wú)腐蝕性、爆炸性和破壞絕緣的氣體或?qū)щ妷m埃，并遠(yuǎn)離熱源[7]。
5 結(jié)論
新能源汽車電池應(yīng)該符合安全性能的需求，安全試驗(yàn)要滿足熱測(cè)試(高溫、熱穩(wěn)定、無(wú)熱管理循環(huán)、熱沖擊循環(huán)、被動(dòng)傳播電阻)，電性測(cè)試(短路、過(guò)充電和過(guò)放電)和機(jī)械性測(cè)試(沖擊、掉落、穿刺、翻滾、浸入、壓碎)的安全要求。但是，新能源汽車電池還有很多安全技術(shù)需要突破，還需要新能源汽車行業(yè)從業(yè)人員持續(xù)不斷的進(jìn)行研發(fā)。
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