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电动车频繁起火,电池热失控及热管理很重要!

近日特斯拉、蔚来汽车再次发生自燃事故。

据外媒报道,当地时间5月14日,一辆特斯拉电动车在香港一家购物中心的停车场再次发生自燃,幸运地是无人受伤,目前还不清楚车辆自燃原因。

5月16日18时16分,位于上海市嘉定区安礼路附近一处居民楼地下车库中的一台蔚来ES8电动车发生自燃冒烟情况,消防官兵第一时间赶到现场及时将烟雾扑灭,现场未出现人身和其他财物损失。车辆出现烟雾原因未明。

近期特斯拉、蔚来、荣威比亚迪4大品牌的新能源电动车连续发生多起自燃起火事件,给电动汽车安全再次敲响了警钟。专家指出,电池热失控是动力电池起火主要原因。对于锂离子电池,热失控是最严重的安全事故,它会引起锂离子电池起火甚至爆炸,直接威胁用户的安全。

热失控

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概念及分类

热失控(ThermalRunaway),指的是单体蓄电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。热失控扩展(ThermalRunawayPropagation),指的是蓄电池包或系统内部的单体蓄电池或单体蓄电池单元热失控,并触发该蓄电池系统中相邻或其他部位蓄电池的热失控现象。(摘自《电动客车安全技术条件》)

引发热失控的因素很多,总的来说分为两类,内部因素和外部因素。内部因素主要是:电池生产缺陷导致内短路:电池使用不当,导致内部产生锂枝晶引发正负极短路。外部因素主要是:挤压和针刺等外部因素导致锂离子电池发生短路;电池外部短路造成电池内部热量累积过快;外部温度过高导致SEI膜和正极材料等发生分解。

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锂电池热失控原因解析

(1)过热触发热失控

导致动力电池过热的原因来自于电池的选型和热设计的不合理,或者外短路导致电池的温度升高、电缆的接头松动等,应该从电池设计和电池管理两个方面来解决。从电池材料设计角度,可以开发来防止热失控的材料,阻断热失控的反应;从电池管理角度,可以预测不同的温度范围,来定义不同的安全等级,从而进行分级报警。

(2)过充电触发热失控

“过充电触发的热失控”是指电池管理系统本身对过充电的电路安全功能缺失,导致电池的BMS已经失控却还在充电导致的。针对这类过充电的原因,解决办法首先是查找充电机的故障,这可以通过充电机的完全冗余来解决;其次是看电池管理合不合理,比如说没有监控每一节电池的电压。

随着电池的老化,各个电池之间的一致性会越来越差,这时过充就更容易发生。这需要进行整个电池组的均衡,来保持电池组一致性。比如采用“先并后串”这一最常见电池组组合方法的串联的电池组,在解决单体一致性问题后,最好的情况是拥有与最小容量的单体一样大的容量。有了这个一致性之后,容量回升了,同时也能防止过充。为了实现一致性,必须有一种方法对各个单体进行容量估计。可以根据充电曲线的相似性来进行全体电池组状态的估计。也即是说,只要知道了其中一个单体电池的充电曲线,其他的曲线应该跟它是相似的。经过曲线变化,它们可以近似重合,曲线变化的过程中间的这些差异就很容易计算。根据一个单体可以推算出其他的单体。有了这样的方法,就可以进行一致性的均衡,当然这种算法的时间过长,需要进行简化。

(3)内短路触发热失控

电池制造杂质、金属颗粒、充放电膨胀的收缩、析锂等都有可能造成内短路。这种内短路是缓慢发生的,时间非常长,而且不知道它什么时候会出现热失控。若进行试验,无法重复验证。目前全世界专家还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程,都在研究当中。

要解决内短路问题,首先要找到产品品质好的电池厂商,选择电池及电池单体容量;其次对内短路进行安全预测,在没有发生热失控之前,要找到有内短路的单体。这意味着必须要找到单体的特征参数,可以先从一致性着手。电池是不一致的,内阻也是不一致的,只要找到中间有变异的单体,就可以将其辨别出来。具体而言,正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路,方程的形式实际上是一样的,只不过正常单体、微短路的单体的参数发生了变化。可以针对这些参数来进行研究,看其在内短路变化中的一些特征。

其中特征之一就是内短路单体的电势差,比较其内阻跟其他单体的差异。研发人员要利用模型来进行单体的辨识。在测出每个单体的电压、电流后,利用这些数据再结合模型,就可以把每个单体的内阻预估出来。再把单体的参数全部预估出来后,根据参数的变化,便可以判断其一致性是否发生了显著性变化。

(4)机械触发热失控

碰撞是典型的机械触发热失控的一种方式。如果在实验室进行碰撞的一个仿真,最接近的是针刺。通过对三元锂电池和磷酸铁锂电池进行针刺试验,研究热失控过程,发现磷酸铁锂电池在这个热失控过程中没有三元锂电池放热表现的那么剧烈。实验表明,不同的材料在针刺的时候会有不同的反应,磷酸铁锂相对安全。解决碰撞触发热失控的办法就是做好电池的安全保护设计。

一般而言,热失控发生之后,会往下传播。比如第一节热失控之后会有传热,开始传播,然后整组像放鞭炮似的一个一个接下来。针对这种传播,可以建立一个模型,包含中间温度升高率、化学能电能的产热、传热对流等。整个热电耦合的模型,可以用量热仪来做一个相关的定量分析。有了传播模型,研发人员可以设计如何来阻断和抑制,这需要加隔热层。但是,加隔热层并不简单,一方面加厚了体积大,另一方面隔热层跟冷却又是矛盾的。这些都是需要解决的问题。总之,在热失控扩展和抑制方面,研发人员要从安全保护设计和电池管理两个方面着手。

温度对锂电池的影响

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概述

锂离子电池主要有正极、隔膜、负极、电解液等几部分构成。温度对锂电池的影响,从温度过高和过低两个方面考虑。锂离子电池工作原理本质上是内部正负极与电解液之间的氧化还原反应,锂离子电池温度的高低直接影响其使用中的能量及功率性能。电动知家了解到常规的锂电池工作温度在-20℃~-60℃之间,不过一般低于0℃后锂电池性能就会下降,放电能力就会相应降低,所以锂电池性能完全的工作温度,常见是0~40℃。而最佳事宜工作温度约在10℃—30℃,过高或者过低的温度都将会引起电池寿命的较快衰减。

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温度过高的影响

短期,温度过高,锂电池存在损坏以及热失控的风险。锂电池负极SEI膜的溶解起始温度在90℃左右(不同型号电芯有差别),一旦保护膜开始溶解,工作以外的自生热过程就此开启,电池进入了热失控预备阶段。在这个短暂的时间窗口内,不能有效降低电池温度,热失控就会发生。

长期,长时间工作在较高温度状态,即使没有冲破隔膜溶解温度,电池的老化过程也会被加剧。电化学反应过程中,物质活性随着温度的升高而变强。电池充放电的反应过程更加活跃,表现为内阻变小。同时,副反应也跟着增强,正负极材料的溶解、电解液自身分解过程都会加剧。锂电池长期在过高温度下运行,寿命将受到严重影响。过高的温度明显的带来容量的加速衰减。

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温度过低的影响

在低温下电极表面活性物质嵌锂反应速率减慢、活性物质内部锂离子浓度降低,这将引起电池平衡电势降低、内阻增大、放电容量减少,极端低温情况甚至会出现电解液冻结、电池无法放电等现象,极大的影响电池系统低温性能,造成电动汽车动力输出性能衰减和续驶里程减少。此外,在低温环境下充电容易在负极表面形成锂沉积,金属锂在负极表面积累会刺穿电池隔膜造成电池正负极短路,威胁电池使用安全,电动汽车电池系统低温充电安全问题极大的制约了电动汽车在寒冷地区的推广。 

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。 因此为了提高整车性能及动力电池的安全性,使电池组发挥最佳的性能和寿命,以及避免或抑制热失控的发生,就需要优化电池包的结构,设计能够适应高温和低温的电动汽车电池包热管理系统BTMS。

电池热管理系统综述

能源汽车的核心——动力电池系统,一般主要由电池模组、电池管理系统、热管理系统、电气及机械系统等构成。影响新能源汽车推广应用的重要原因一个是动力电池的安全性,另外一个就是使用成本。因此随着新能源汽车大规模的推广,安全性需要得到进一步提高,所以热管理的重要性凸现出来。

电池热管理,是根据温度对电池性能的影响,结合电池的电化学特性与产热机理,基于具体电池的最佳充放电温度区间,通过合理的设计,建立在材料学、电化学、传热学、分子动力学等多学科多领域基础之上,为解决电池在温度过高或过低情况下工作而引起热散逸或热失控问题,以提升电池整体性能的一门新技术。电动知家总结热管理的作用简要来说就是让电池工作在一定的温度范围内维持最佳的使用状态,用以保证电池系统的性能和寿命。

电池热管理系统是从使角度出发,用来确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统,主要由导热介质、测控单元以及温控设备构成。导热介质与电池组相接触后通过介质的流动将电池系统内产生的热量散至外界环境中,导热介质主要有空气、液体与相变材料这三大类。

电池热管理系统有如下几项主要功能:(1)电池温度的准确测量和监控;(2)电池组温度过高时的有效散热和通风;(3)低温条件下的快速加热,使电池组能够正常工作;(4)有害气体产生时的有效通风;(5)保证电池组温度场的均匀分布。

电池系统热管理技术

热管理系统,通过对电池组系统施加加热或者散热的手段,调节锂电池的工作温度,尽量使得温度环境处在锂电池最适宜的范围,以最大化发挥电池组的能力,延缓电池老化。动力电池散热研究可分为空气散热、液冷散热、固体相变材料散热和热管散热等方式,现有主要散热技术以前三种为主。 

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空冷式散热系统 

空冷式散热系统也叫风冷式散热系统。空冷式的散热方式最为简单,只需要让空气流经电池表面带走动力电池所产生的热量,达到对动力电池组散热的目的。根据通风措施的不同,空冷式又有自然对流散热和强制通风散热两种方式。自然对流散热不依靠外部附加的强制通风措施(如加风机等),只是通过电池包内部流体自身因温度变化而产生的气流进行冷却散热的系统。强制对流冷却散热系统是在自然对流散热系统的基础上加上了相应的强制通风技术的散热系统。当前动力电池空冷式散热主要有串联式和并联式两种系统。但该种方式效果较差,且很难达到较高的电池均温性。  

串联风冷散热/并联风冷散热

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液冷式散热系统 

动力电池的液冷式散热系统是指制冷剂直接或间接地接触动力电池,然后通过液态流体的循环流动把电池包内产生的热量带走达到散热效果的一种散热系统。其制冷剂可以是水、水和乙二醇的混合物、矿物质油和R134a等,这些制冷剂拥有较高的导热率,可以达到较好的散热效果。当前动力电池的液冷技术也拥有了相当成熟的技术,在电动汽车的散热系统中也有了相对广泛的应用,比如特斯拉电池包就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散热,宝马i3采用R134a进行散热。液冷式系统往往要求更复杂的更加严苛的结构设计以防止液态制冷剂的泄漏以及保证电池包内电池单体之间的均匀性,而液冷系统的复杂结构也使得整套散热系统变得十分笨重,不仅增加整车的重量,使得整车的负担大大增加,而且同时由于其结构的复杂性及高密封性使得液冷系统的维护和保养相对困难,维护成本也相应增加。

液冷系统图

动力电池包液冷结构散热方式

特斯拉电池包液冷散热图

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相变材料式散热系统

相变材料式散热系统是以相变材料作为传热介质,利用相变材料在发生相变时可以储能与放能的特性达到对动力电池低温加热与高温散热的效果。但相变材料的热导率比较低,为了改变材料的固有缺陷,人们向相变材料中填充一些金属材料,例如有些研究中将很薄的铝板填充到相变材料中从而达到提高热导率的目的。为了提高相变材料的热导率,还有人提出了向相变材料中填充碳纤维、碳纳米管等。  

相变材料包裹电池式结构

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热管式散热系统 

热管作为一种高效的导热原件,能够快速高效地把热能从一个地方输送到另一个地方,也就是能够把热量快速有效地在两个物体间进行传输。在电动汽车的热管理系统中,国内外很多学者也把热管这一导热原件应用到动力电池的散热中。与传统的强制对流散热系统相比,在引入热管的散热系统中,动力电池不仅能维持在正常工作的温度范围内,而且各电池单体之间也能够保持温度的均匀性,这是强制冷却散热系统所不能达到的效果。但其质量和体积过大,存在换热极限。

热管冷却

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电池加热系统

以上介绍了四种给电池散热的方法,而应用在寒冷地区的电动汽车,电池包往往需要加热装置。锂电池自身特性决定,在温度低于0℃以后,电池性能发挥就会受到影响,同时还伴有对电池寿命的损害。加热器种类包括纯电阻加热,电热膜加热等。纯电阻加热器,发热效率不高,同时占据的空间较大。优点在于工作稳定,技术成熟。加热膜,自身材质种类较多,各家名称叫法并不统一。加热膜以薄片的形式存在,宣称的热功率密度比较高,发热效率高,理论上是比较理想的加热形式。但其行业发展还不成熟,在汽车上应用的时间比较短,相关标准只搜集到建筑行业的行标,稳定可靠性还有待测试和观察。

控制热失控的方法

通过电池热管理技术研究,加强电池的加热和散热能力,保证电池工作在合适的温度范围内和保持电池箱内合理的温度分布。因此研究需要从单体级别的热失控产生机理及特性方面逐步扩展到由单体热失控触发继而传播到整个电池系统的热失控级别。

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从内部即电芯层面看

从内部即电芯层面看,主要从以下三个方面进行研究和改善:

(1)对电解液进行优化,对电解液的界面特性进行改良以形成均匀薄质的SEI膜,从而提高安全性能,改进相关有机溶剂、电解质盐和添加剂的配方从而提高热稳定性;

(2)正负极材料的优化,比如针对正极材料进行特殊表面处理,掺杂一些安全材料进行包覆;

(3)在隔膜的选择上需要高安全性能和热稳定的陶瓷涂层隔膜。保证隔膜在受热收缩程度不会太大从而维持一定的稳定性。

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从外部即系统层面看

从外部即系统层面看,需要在进行热管理系统设计时需要考虑到电芯单体和电池模组这两个层次的结构。主要可以从以下四个方面进行设计和防护:

(1)电池热管理系统的整体设计需要结合具体电芯使用情况,以做好对应的热管理系统研制与开发。在电芯成组阶段就需要完成良好的结构设计,保证机械安全和热安全性。

(2)热管理材料的应用,材料与部件的结合使用设计。液冷板的应用就能好解决电池的温度控制,实现高低温的调控。

(3)关注电气系统在继电保护、过流防护及高压互锁方面的保护功能,尤其环境耐久性和老化上。

(4)需要电池管理系统在热管理上发挥监控和预判,实时监控电芯的温度等各种状态然后配合热管理系统采取对应控制方式。

来源:第一电动网

作者:电动知家

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