動力電池安全智能系統(tǒng)實例分析及建議

2015年以來，電動汽車被燒事件一而再三地被媒體曝光。如何解決好這個問題，2017年5月6日-7日，由清華大學(xué)主辦的第一屆全國鋰離子電池安全性技術(shù)研討會在北京召開，歐陽明高教授認(rèn)為，解決好動力電池熱失控需要三板斧。這些說明，要解決好電動汽車上動力電池的安全，一是行業(yè)上下都必須要高度重視，二是要研發(fā)出技術(shù)指標(biāo)較高的系統(tǒng)（總成件），三有了這樣的系統(tǒng)以后，要積極配置到汽車上來。筆者將自己對動力電池安全智能系統(tǒng)及實例分析及建議，分享給大家，供大家參考。

一、動力電池安全隱患的誘因

動力電池是能源載體，說明其安全隱患誘因是客觀存在的。按照歐陽明高教授的總結(jié)，大致可以分為三大類：

1）外部高溫會導(dǎo)致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，會發(fā)生燃燒、起火。在外部高溫環(huán)境下， 電解液分解物與正極、負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，電芯隔膜將融化分解等導(dǎo)致內(nèi)部短路，電能量釋放也多會產(chǎn)生大量的熱量。

圖1 試驗數(shù)據(jù)示意圖

試驗數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)電池單體溫度達(dá)到135℃時，隔膜開始融化，電壓下降；150℃電池電壓快速下降，等溫度高達(dá)245℃時，隔膜完全崩潰。結(jié)論是，電池單體工作溫度在40℃～50℃之間是比較理想的。結(jié)論是，如果高于或低于這個溫度范圍都是不利于電池正常使用的。

2）動力電池內(nèi)部的雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹與收縮、析鋰等都有產(chǎn)生動力電池內(nèi)部短路的可能。由動力電池內(nèi)部雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程的機(jī)理，目前全世界專家還在研究階段。

結(jié)論是，目前要做到消除動力電池內(nèi)部的雜質(zhì)等誘因，理論上還沒有找到可行的辦法。

3）汽車機(jī)械受損如強(qiáng)烈的撞擊、翻車、擠壓也是無法規(guī)避的客觀事實。機(jī)械受損會導(dǎo)致電池發(fā)生機(jī)械損壞，在很短的時間內(nèi)，會發(fā)生動力電池短路。結(jié)論是，汽車是運(yùn)動物體，動力電池的機(jī)械受損也是一個大概率事件。

二、動力電池發(fā)生安全事故的人為因素

1）由于充電操作不當(dāng)導(dǎo)致外部短路。導(dǎo)致電池放電電流很大，會使電芯發(fā)熱，高溫會使電芯內(nèi)部的隔膜收縮或完全壞壞，造成內(nèi)部短路，因而爆炸。結(jié)論是，進(jìn)行培養(yǎng)，加強(qiáng)管理是一個十分必要的基礎(chǔ)管理工作。

2）電池過充導(dǎo)致正極的鋰過度放出會使正極的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。而放出的鋰過多也容易無法插入負(fù)極中，也容易造成負(fù)極表面析鋰，而且，當(dāng)電壓達(dá)到4.5V以上時，電解液會分解生產(chǎn)大量的氣體，從而導(dǎo)致電池鼓脹，嚴(yán)重的話甚至?xí)盁熎鸹稹＝Y(jié)論是，要通過聲光等措施要能及時告知要告訴操作人員，同時技術(shù)措施立即到位。要能杜絕這個行為的發(fā)生。

3）過放會導(dǎo)致電池正極材料分子結(jié)構(gòu)損壞，從而導(dǎo)致充不進(jìn)去電。結(jié)論是，要通過聲光等措施要能告知要告訴操作人員，同時技術(shù)措施上，要能杜絕這個行為的發(fā)生。

4）IP防護(hù)等級不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致電池內(nèi)部水份含量過高。水份可以和電芯中的電解液反應(yīng)，生產(chǎn)氣體，充電時，可以和生成的鋰反應(yīng)，生成氧化鋰，使電芯的容量損失，易使電芯過充而生成氣體，水份的分解電壓較低，充電時很容易分解生成氣體，當(dāng)這一系列生成的氣體會使電芯的內(nèi)部壓力增大，當(dāng)電芯的外殼無法承受時，電芯就會爆炸。

三、動力電池安全安防范措施

1）BMS管理系統(tǒng)要具備自動規(guī)避人為不當(dāng)操作的功能。

2）動力電池單體生產(chǎn)中過程控制措施到位。主要是要保障單體質(zhì)量要高、一致性要高。電池包的IP等級要符合電動汽車的技術(shù)要求；

3） BMS管理系統(tǒng)要能控制電動系統(tǒng)環(huán)境溫度，要保持適宜，具有自動調(diào)節(jié)功能；

4）低溫環(huán)境下，BMS管理系統(tǒng)要能對動力系統(tǒng)自動加溫，對即將發(fā)生燃燒時（或爆炸時刻），要能自動消除這些；

四、動力電池安全智能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

動力電池安全智能系統(tǒng)分為三部分：a）電池系統(tǒng)；b）熱管理系統(tǒng)；c）自動滅火系統(tǒng)。

圖2 動力電池安全智能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1）熱管理系統(tǒng)的基本功能

a）電動汽車正常后，電池始終保持在最佳工作溫度區(qū)間；

b）低溫環(huán)境下，借力充電槍（220-380網(wǎng)電）給車載電池加熱至電池正常工作問題；

c）規(guī)避杜絕虛充或者過充；

d）能在-40度極寒條件下，確保電動汽車能正常工作。

圖3 熱管理系統(tǒng)基本部件

2）自動滅火系統(tǒng)基本功能

a）電池箱溫度過高或者燃燒時，自動聲光報警，通知乘員疏散;

b）將藥劑罐內(nèi)藥劑迅速噴入電池箱內(nèi)進(jìn)行滅火，整個過程不超過0.2秒。

c）整個滅火結(jié)果，不給電池系統(tǒng)造成新?lián)p傷。

五、動力電池安全智能系統(tǒng)工作原理

1）熱管理系統(tǒng)的基本原理

采用液體冷卻技術(shù)，將專業(yè)設(shè)計的換熱板放置于電池箱內(nèi)，在主機(jī)內(nèi)對液體介質(zhì)進(jìn)行加熱/冷卻，再將液體送入換熱板內(nèi)，通過內(nèi)部流轉(zhuǎn)的液體進(jìn)行循環(huán)換熱。技術(shù)指標(biāo)要求：

a）電池溫度精確控制在（±1℃）；

b）溫控速度在極熱或極冷情況下能20分鐘達(dá)到動力電池的正常范圍。

c）體積尺寸大小必須控制在整車能接受范圍以內(nèi)。

可以實現(xiàn)實現(xiàn)的基本目標(biāo)：

a）防止電池溫度過高，減少電化學(xué)腐蝕，避免熱失控導(dǎo)致燃燒或爆炸；杜絕電池溫度過高所引起的自燃；

b）防止低溫充電時，電池易出現(xiàn)瞬間電壓過充現(xiàn)象，導(dǎo)致短路；

c）防止低溫過充時導(dǎo)致的電池不可逆損傷。

2）自動滅火系統(tǒng)的基本原理

在溫度（熱量）傳感器信號發(fā)生時，ECU發(fā)出指令，執(zhí)行元件開始工作，滅火劑立即到達(dá)，遇熱迅速氣化，吸收大量熱量，達(dá)到快速降溫的作用，且在電池箱底部形成積液，可持續(xù)降溫。技術(shù)指標(biāo)要求：

a）常溫常壓儲存下，滅火劑有效期達(dá)10年；

b）滅火劑藥劑遇熱氣化，沉滯于電池箱內(nèi)，迅速稀釋氧含量，在非閉空間里，亦可達(dá)到窒息滅火。

c）滅火劑能捕捉自由基，持續(xù)快速打斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，形成保護(hù)層，阻止復(fù)燃。

d）滅火劑介電強(qiáng)度大于60KV（不導(dǎo)電），且無腐蝕性，不會對電池造成任何傷害；

e）藥劑在自然狀態(tài)下5天自然分解，噴放后無需對電池箱做任何清潔工作，同時其分解物對環(huán)境無任何污染。臭氧層損耗值（ODP）為0，溫室效應(yīng)值（GWP）為1。

六、總結(jié)及建議

1）電動客車配置“動力電池安全智能系統(tǒng)”將是強(qiáng)制安全標(biāo)準(zhǔn)的要求?！稒C(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB7258-20&TImes;&TImes;）代替GB 7258-2012）（征求意見稿）的12.10.4條款明確要求：“車廠大于等于6m純電動客車、充電式混合動力客車、燃料電池汽車應(yīng)設(shè)置具有向駕駛?cè)藛T報警功能的電池箱專用自動滅火裝置。”客車整車企業(yè)必須加強(qiáng)對動力電池安全智能系統(tǒng)的研究。

2）電池安全智能系統(tǒng)理應(yīng)向高集成度方向發(fā)展。純電動客車的驅(qū)動電機(jī)也要保持一定工作溫度，客車車身里也要求自動滅火裝置?？蛙?yán)锊豢赡芘渲霉δ芑疽恢碌亩嗵椎难b置。最好是一整套總成，體積要小。

3）滅火劑，一是絕緣度等級要高，二是滅火劑完全滅火功能后，能自動自然分解，三是滅火劑完全滅火功能后，在動力電池箱上不能有遺留物。

4）有了“動力電池安全智能系統(tǒng)”，電動汽車安全等級會大大提高，對電動汽車普及應(yīng)用，無疑是”功在整車、零部件廠家，利在老百姓“的大好事，大家都要積極推動它的應(yīng)用。

5）中國電動汽車發(fā)展速度會很快的，安全措施（技術(shù)）必須要跟上。動力電池安全智能系統(tǒng)理應(yīng)一個核心技術(shù)，一是持續(xù)提高質(zhì)量，二是有序地配置到車來，一定要消除老百姓對電動汽車安全性懷疑心理。