一文讀懂！新能源電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計

本文主要從熱安全設(shè)計的重要性、市場熱安全問題、電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計解決方案、熱失控預警策略等四個方面來分析，以期望在動力電池熱安全設(shè)計中采取相應(yīng)的防護措施時起到參考作用。

熱安全設(shè)計的重要性

隨著電動汽車的存量增加，電動汽車安全事故明顯增多，成為關(guān)注熱點；根據(jù)不完全統(tǒng)計，2020年全年僅公開報道的電動汽車起火事故就有124起，事故數(shù)量明顯多于2019年。這些發(fā)生的安全事故中，動力電池熱失控引起的事故占比最大。動力電池熱失控安全技術(shù)研究引起國內(nèi)外學者廣泛重視。

動力電池的工作過程是一個復雜的電化學反應(yīng)過程，在高溫、高壓、高電流、大電流等復雜的環(huán)境下，會出現(xiàn)電化學化學反應(yīng)不完全，造成局部過熱而引發(fā)熱失控。電池發(fā)生熱失控后，如果不及時進行有效的控制措施，其內(nèi)部反應(yīng)生成的物質(zhì)會進一步蔓延，最終引發(fā)爆炸，造成人員傷亡。因此研究電池在熱失控過程中的產(chǎn)熱機理、控制策略對于預防和減少電動汽車火災(zāi)事故具有重要意義。

熱失控及傳播原理

動力電池熱失控可由單體內(nèi)部因素及外部因素引起。內(nèi)部因素一般為過充、低溫充電、負極缺陷等導致負極形成的化合物穿透隔膜引發(fā)短路，或電池內(nèi)部雜質(zhì)刺穿隔膜引發(fā)短路等；外部因素包括正負極短路，大電流放電，高溫，擠壓、針刺等。由于單體內(nèi)部或外部因素的發(fā)生，電池單體溫度持續(xù)升高；以鋰離子電池為例，單體高于60℃時，SEI膜開始分解，全部分解后露出負極表面；隨著電池溫度的提升，電池隔膜高溫收縮，正負極活性物質(zhì)接觸，發(fā)生短路，瞬間釋放出大量的熱量。短路點高溫進一步導致正極氧化物分解，釋放出游離狀態(tài)氧，并與有機電解液發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出更多的熱量，最終導致電池發(fā)生起火爆炸。

在鋰離子電池發(fā)生內(nèi)部短路時，巨大的焦耳熱使穩(wěn)定性較低的SEI膜分解，初始溫度在80～120℃之間，其反應(yīng)方程式為：

（CH2OCO2Li）2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2

2Li+（CH2OCO2Li）2→2Li2CO3+C2H4

當SEI膜分解后，負極活性物質(zhì)失去保護，其中的嵌入鋰會與電解液接觸發(fā)生放熱反應(yīng)，同時會再次生成較為稀疏的SEI膜，但對整體反應(yīng)沒有影響。此時的反應(yīng)溫度在120～250℃之間，其反應(yīng)方程式為：

2Li2+C3H4O3→Li2CO3+C2H4

2Li+C5H10O3→Li2CO3+C2H4+C2H6

2Li+C3H16O3→Li2CO3+C2H6

2Li+C4H6O3→Li2CO3+C3H6

在負極與電解液的持續(xù)放熱反應(yīng)下，電池中的隔膜會收縮、熔斷，正負極活性物質(zhì)接觸發(fā)生局部短路產(chǎn)生更多的熱量，使隔膜進一步崩塌。隨后正極材料開始分解，生成的氧氣與電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，同時伴隨著電解液、粘結(jié)劑、外殼包裝的反應(yīng)，溫升速率急劇上升，進入熱失控狀態(tài)。

綜上所述，電池在針刺的作用下短時間發(fā)生劇烈的內(nèi)部短路，當電池殼體無法承受氣體與熱量帶來的壓力時，內(nèi)部的化學物質(zhì)會瞬間噴射，導致冒煙、起火，甚至爆炸。

電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計

熱安全設(shè)計開發(fā)主要分為以下五個維度，分別為：電芯選型、模組設(shè)計、電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計、熱失控預警、主動降溫；

電芯設(shè)計及選型

電芯選型：高熱穩(wěn)定性、殼體強度提升、噴閥壓力降低、絕緣提升

電芯安全測試項

電芯設(shè)計是電池設(shè)計系統(tǒng)的核心，只有科學嚴謹?shù)脑O(shè)計電芯，才能在后期的應(yīng)用過程中少產(chǎn)生問題和故障。電芯設(shè)計的要點也很多，只有多方面平衡設(shè)計，才能達到理想的預期效果。

圖1 電池封裝形式

常見的電芯制作工藝為疊片和卷繞。疊片式就是按照層疊的方式進行壓制，而卷繞也可以簡單理解為一層層的外面繞制。

兩者的工藝簡單對比主要如下圖：

而在設(shè)計過程中，需要使用的技術(shù)包括的更多：動力學模擬仿真設(shè)計、材料開發(fā)、電芯設(shè)計、模擬仿真、安全考慮、可靠性設(shè)計、壽命設(shè)計、電芯測試、設(shè)備制程和工藝等。

模組設(shè)計

主要是把單體的實際情況與Pack的需求銜接起來，在這里面主要包含：結(jié)構(gòu)設(shè)計需求、熱設(shè)計需求、電氣設(shè)計需求、安全設(shè)計；

模組的主要組成

結(jié)構(gòu)設(shè)計要求?結(jié)構(gòu)可靠：抗震動 抗疲勞、工藝可控：無過焊、虛焊，確保電芯100%無損傷

熱設(shè)計??軟包電芯的物理結(jié)構(gòu)決定了其不易爆炸，一般只有外殼能承受的壓力足夠高，才有可能炸，而軟包電芯內(nèi)部壓力一大，便會從鋁塑膜邊緣開始泄壓、漏液。同時軟包電芯也是幾種電芯結(jié)構(gòu)中，散熱最好的。

電氣設(shè)計?低壓設(shè)計，通過信號采集線束，將電池電壓、溫度信息采集到模組從控板或者安裝在模組上的所謂模組控制器上；高壓設(shè)計，主要是電芯與電芯之間的串并聯(lián)，以及模組外部，設(shè)計模組與模組之間的連接導電方式，一般模組之間只是考慮串聯(lián)方式。

安全設(shè)計?安全設(shè)計，可以分為3個倒退的要求：良好的設(shè)計，確保不要發(fā)生事故;如果不行，發(fā)生事故了，最好能提前預警，給人以反映時間;故障已經(jīng)發(fā)生，則設(shè)計的目標就變成阻止事故過快蔓延。

電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計

基于pack熱蔓延失效原因進行電芯因子分析

典型熱失控試驗

電池包拆解

熱失控報警策略

我們將預警分為車端和云端，車端是和整車TMS或VC提到一個要求，不管是電池包里因溫度信號、壓力信號還是煙霧信號，再結(jié)合電壓、溫度等最終導致微生物暴走的組合策略，然后把信號傳遞給VCU或傳遞給TMS，最后整車熱管理去響應(yīng)，達到極速冷卻的一個過程。要在新能源車冷卻液的量足夠的情況下，另外冷卻開啟時間也需要關(guān)注。

車端整車過熱響應(yīng)流程

某項目整車熱管理系統(tǒng)原理圖

結(jié)語

電池單體熱失控研究取得很大進展，但國內(nèi)外仍時有安全事故發(fā)生。電池系統(tǒng)成組技術(shù)在其中的作用仍需進行深入研究及實踐驗證。產(chǎn)品開發(fā)過程中，需通過熱失控安全試驗對安全性能進行驗證，確認熱失控安全設(shè)計的效果。