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特斯拉自燃情况分析 知道热失控原理很重要

  • 来源:国际在线
  • 2020/1/14 14:06:19

4月21日,一辆Model S在上海地下车库发生自燃,自燃的视频在网络上迅速传播。很多媒体强调:“从冒烟到起火只有4秒,根本来不及逃生”。这让很多人觉得,电动汽车非常不安全。而且这么多,一旦一个电池故障,整辆车和车内的人就都危在旦夕。

其实,如果单个电芯或者部分电芯故障,并且发热甚至燃烧的情况,在动力电池电芯、模组、系统的设计和过程中,是有所考虑并且防护的。

本文尝试为大家做一个解读。

1、什么是热失控

先说什么叫热失控,根据标准《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》里的定义,热失控指的是电池单体放热连反应引起的电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。

新能源汽车的动力电池系统一般主要由电池模组、电池管理系统BMS、热管理系统以及一些电气和系统等构成。

整车厂、或者动力电池系统的厂商,在设计生产电池系统时,要考虑多重因素。

为了便宜,他们希望电池系统成本低;为了车跑得远,续航里程长,他们希望能量密度高;为了安全,他们希望电池系统安全性高。这些都是新能源汽车能否大规模推广应用的重要因素。但是,遗憾的是,往往这几个因素之间是互相约束的,你不可能什么都追求极端。

我们可以看看下图。为了追求更长的续航里程,我们不得不用能量密度越来越高的电池:从铅酸电池、镍镉电池,到磷酸铁锂、三元电池,而且是能量密度越来越高的三元电池。

特斯拉自燃情况分析 知道热失控原理很重要

但是,能量密度越高的电池,热稳定性就更低。因此,为了能用好这些高能量密度的电池,安全性也得到了进一步地重视。

最主要的,就是防范热失控。动力在过充放电、针刺、碰撞情况下,都有可能引起连锁放热反应,造成热失控,形成冒烟、失火甚至爆炸等。

除了以上这些极端情形,常规情况下电池也会产生热量,散热设计不好,也可能导致热失控。

单个电池(即电芯)由于其自身有一定的内阻,在充放电的同时,就会产生一定的热量,使得自身温度变高。当自身温度超出其正常工作温度范围间时,电池的性能和寿命会受到影响。

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除了电芯自身产生的热量,还有来自环境——也就是电芯所在的动力电池系统的热量。

系统在不同的应用工况下的工作过程中,也会产生大量的热,聚集在狭小的电池箱体内。热量如果不能够及时地快速散出,也会影响系统内的电池寿命,甚至出现热失控,导致电芯起火爆炸等。

特斯拉的车型,以长续航里程为特点,也是不断提高电芯能量密度实现的。

目前特斯拉所采用的三元NCA电芯,由于能量密度高,在针刺时,会剧烈燃烧,和其他电芯比,自然不算好。而且从材料性质上来看,三元电池的分解温度要低于磷酸铁锂,在同样的高温环境下,发生热失控的几率要高于磷酸铁锂。因此,特斯拉电池热失控的原因,可以从电芯本身和外部环境两块来看。后者对前者又会有一定的影响。

2、热失控的产生原因

特斯拉这起自燃不是第一起电动汽车起火,也不会是最后一起。

从这几年发生的电动汽车的安全事故来看,原因主要集中在外部撞击形成针刺挤压或者密封失效浸水,高温环境下热集中和过充放电过程,电芯本身漏液等,伴随电芯内部的造成热失控。在研究电动汽车自燃案例过程中,可以看到充放电原因造成的热失控不在少数。

锂离子动力电池在发生热失控的过程中,随着温度不断升高将会依次经历以下的过程,并不是一个瞬间就完成的过程:高温容量衰减→SEI 膜分解→负极-电解液反应→隔膜熔化过程→正极分解反应→电解质溶液分解反应→负极与粘接剂反应→电解液燃烧等。

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从锂离子电池单体的构成部分来看,热失控的可能原因主要出现在电解液、正负电极材料的热稳定性能上。比如锂离子电池在充电时,金属锂的表面会沉积枝杈状锂枝晶,积累到一定程度就会刺穿电池隔膜,造成正负极直接接触而短路导致热失控。再比如,过充时,锂离子会从正极溢出与电解液溶剂发生反应产生热量。热量会反过来继续加热电池触发金属锂与溶剂、嵌锂碳与溶剂混合反应,在极小空间内产生无法立即排出的热量与气体,于是电池爆炸。

为了防止热失控,要对电芯、模组、系统都做隔热防控,但是电芯和模组级别的隔热防控,此前并没有被业界过多关注。因此,在电池系统的整体设计中,就必须考虑电芯单体和电池模块所在位置的温度环境的影响。在设计电池模块排列时,若单体电池或者模组之间排列紧凑,且没有散热和隔热措施的话,电池组在充放电时温度会急剧上升带来严重的安全隐患。

为了提高动力电池的安全性,还需避免或抑制热失控的发生。整体来看,业界解决锂离子电池热失控问题,主要从系统保护和电芯改进两个方面进行。

3、解决热失控的工作

为了解决热失控,在单体电芯材料层面可以做改进。比如对正负极材料进行包覆处理,电解液添加阻燃剂,或者往固态电池方向发展等。

重点叙述一下国内外一些公司,在电池热失控方面做的工作。

首先看对电芯的热管理。

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先看特斯拉,他们以蛇形管贴敷导热材料,围绕圆柱电池形成液冷系统。冷却剂由50%的水和50%的乙二醇混合而成,温差能够控制在±2%以内。

国内动力电池老大宁德时代,则在电芯之间放置气凝胶。气凝胶兼具高效的隔热性能和超薄的厚度,可在极其有限空间中进行保温隔热,并且一定的厚度可以对热失控有较好的延缓作用。包括上汽时代也有同样的方案。

而通用汽车的方案,类似于特斯拉和宁德时代的结合。他们在电芯之间放置冷却片和泡棉,使得冷却片的散热和泡棉的隔热作用同时实现。但在现有的研究范围内,泡棉主要用提高电芯的循环使用寿命,而不是热失控的延缓。

再来看系统级的防护。

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以快充为特点的微宏动力,采用浸泡式冷却方法。他们给系统注入硅油,实现一定的冷却性和均热性,另外硅油本身绝缘,又隔绝氧气,使得电池系统具备很好的安全性。但有两个劣势,一是重量,二是也有产生硅油漏液的风险。

另外,动力电池行业最早常用灌封胶,也可以看做是一种浸泡式方案。这一方案,在能量密度方面没有优势,因此在补贴政策鼓励能量密度的背景下,失去了市场。在补贴退出之后,灌封胶方案能否赢回一点市场,尚待观察。

老牌动力电池企业比亚迪,采用液冷板方案,能保证电池工作在正常的温度范围内。冷却板可以用钎焊、搅拌摩擦焊、埋管等几种方式。但是在外部撞击和长期使用环境下,如何保证不漏液也是需要考虑的。

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比亚迪动力电池包隔热防火设计

为了更进一步节省空间和提高效率,液冷箱也开始有一定的市场。不过,液冷箱一旦被碰撞,形变和侵入,反倒可能伤及电芯。因此液冷箱方案用于商用车较多,因为商用车电池包一般有电池仓的保护,而不像乘用车那样直接放置在底盘,能与外界直接接触。

除去这三种常见的方案,一种新的热管方案也开始崭露头角。它可以满足电池组的高温散热与低温预热双工况要求,响应快,温度均匀性好。

以上几种,都可以说是液冷方案。采用液冷方案时,需要将箱体隔热考虑进去,意义在于:一、保持系统内部温度,有利于低温充放电,延长使用寿命;二、降低高温路面热辐射对系统内部温度的影响;三、外部出现火烧或者高温时,保持电池包内正常温度,延缓电池热失控,提高安全性。

整体来看,单独或者综合以上若干热失控方案并不能完全避免热失控的发生,比如箱体的密封随着环境不断变化失效,导致漏水,也可能会产生热失控,导热材料的选择不当也会有风险。这些又是另外需要深入研究的课题了。

4、关于热失控方面的标准

热失控不仅是业界重视,国家主管部门、行业标准也提出了要求。

目前,中国在电池安全涉及热失控方面的标准,包括《电动汽车安全要求》、《电动客车安全要求》和《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》(意见稿阶段,将会尽快发布)等。

《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》在引言部分就强调了在确定电动汽车用锂离子电池单体、电池包或系统采用何种设计方案时,需遵守以下的优先次序:首先,如有可能,优先选择安全性高的材料,尽量避免使用容易出现绝缘失效、热失控或燃烧起火的材料;其次,如果无法实行以上原则,那么需制定保护措施,减少或消除危险发生的可能性。标准里也明确规定锂离子电池单体和电池系统在按照规定的测试方法进行过充放电、短路、加热、温度循环和挤压试验时,应不起火、不爆炸。

特斯拉自燃情况分析 知道热失控原理很重要

标准要求锂离子电池包或系统制造商可选择以下两种方式之一进行锂离子电池包或系统热扩散分析或验证。按照附录完成热扩散乘员保护分析和验证或者参照附录完成热扩散试验。在热扩散乘员保护分析与验证报告这个规范里规定:锂离子电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5分钟,应提供一个预先警告信号(服务于整车热事故报警),提醒乘员疏散。

如果热扩散不会产生导致车辆乘员危险的情况,则认为该要求得到满足。

但热扩散乘员保护分析与验证报告和热扩散试验这两个方面,只是作为附录在最后,只要求厂家提供最后的结构和数据说明,并没有统一的技术标准要求。我认为后续应该有一个统一的标准去认证合格与否,关于热失控的试验记录与披露必要性提醒厂家要做好相关工作。

另外《电动客车安全要求》要求可充电储能系统(或安装舱体)与客舱之间应使用阻燃隔热材料隔离,阻燃隔热材料的燃烧特性应符合GB 8624—2012中规定的A级要求,并且在300 ℃时导热系数应小于等于0.04 W/(m·K)。

综上,国内外众多企事业单位和国家标准,在解决热失控方面做了很多的工作。大家没必要提到电动汽车就谈虎色变,要相信电动汽车的安全性在不断提高。也希望有更专业的人士来普及更多的东西,让热失控得到更好的防范和控制。

比亚迪动力电池包隔热防火设计

为了更进一步节省空间和提高效率,液冷箱也开始有一定的市场。不过,液冷箱一旦被碰撞,形变和异物侵入,反倒可能伤及电芯。因此液冷箱方案用于商用车较多,因为商用车电池包一般有电池仓的保护,而不像乘用车那样直接放置在底盘,能与外界直接接触。

除去这三种常见的方案,一种新的热管方案也开始崭露头角。它可以满足电池组的高温散热与低温预热双工况要求,响应快,温度均匀性好。

以上几种,都可以说是液冷方案。采用液冷方案时,需要将箱体隔热考虑进去,意义在于:一、保持系统内部温度,有利于低温充放电,延长使用寿命;二、降低高温路面热辐射对系统内部温度的影响;三、外部出现火烧或者高温时,保持电池包内正常温度,延缓电池热失控,提高安全性。

整体来看,单独或者综合以上若干热失控方案并不能完全避免热失控的发生,比如箱体的密封随着环境不断变化失效,导致漏水,也可能会产生热失控,导热材料的选择不当也会有风险。这些又是另外需要深入研究的课题了。

4、关于热失控方面的标准

热失控不仅是业界重视,国家主管部门、行业标准也提出了要求。

目前,中国在电池安全涉及热失控方面的标准,包括《电动汽车安全要求》、《电动客车安全要求》和《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》(意见稿阶段,将会尽快发布)等。

《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》在引言部分就强调了在确定电动汽车用锂离子电池单体、电池包或系统采用何种设计方案时,需遵守以下的优先次序:首先,如有可能,优先选择安全性高的材料,尽量避免使用容易出现绝缘失效、热失控或燃烧起火的材料;其次,如果无法实行以上原则,那么需制定保护措施,减少或消除危险发生的可能性。标准里也明确规定锂离子电池单体和电池系统在按照规定的测试方法进行过充放电、短路、加热、温度循环和挤压试验时,应不起火、不爆炸。


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