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，由清華大學主辦的第一屆全國鋰離子電池安全性技術研討會在北京召開，歐陽明高教授認為，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)出技術指標較高的系統(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，大致可以分為三大類：

1）外部高溫會導致電芯防爆膜破裂，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、負極發(fā)生反應，電芯隔膜將融化分解等導致內部短路，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，當電池單體溫度達到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245℃時，隔膜完全崩潰。結論是，電池單體工作溫度在40℃～50℃之間是比較理想的。結論是，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）動力電池內部的雜質、金屬顆粒、充放電膨脹與收縮、析鋰等都有產(chǎn)生動力電池內部短路的可能。由動力電池內部雜質引起的內短路的過程的機理，目前全世界專家還在研究階段。

結論是，目前要做到消除動力電池內部的雜質等誘因，理論上還沒有找到可行的辦法。

3）汽車機械受損如強烈的撞擊、翻車、擠壓也是無法規(guī)避的客觀事實。機械受損會導致電池發(fā)生機械損壞，在很短的時間內，會發(fā)生動力電池短路。結論是，汽車是運動物體，動力電池的機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）由于充電操作不當導致外部短路。導致電池放電電流很大，會使電芯發(fā)熱，高溫會使電芯內部的隔膜收縮或完全壞壞，造成內部短路，因而爆炸。結論是，進行培養(yǎng)，加強管理是一個十分必要的基礎管理工作。

2）電池過充導致正極的鋰過度放出會使正極的結構發(fā)生變化。而放出的鋰過多也容易無法插入負極中，也容易造成負極表面析鋰，而且，當電壓達到4.5V以上時，電解液會分解生產(chǎn)大量的氣體，從而導致電池鼓脹，嚴重的話甚至會冒煙起火。結論是，要通過聲光等措施要能及時告知要告訴操作人員，同時技術措施立即到位。要能杜絕這個行為的發(fā)生。

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

4）IP防護等級不達標，導致電池內部水份含量過高。水份可以和電芯中的電解液反應，生產(chǎn)氣體，充電時，可以和生成的鋰反應，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，當這一系列生成的氣體會使電芯的內部壓力增大，當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)基本結構

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)基本結構

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）將藥劑罐內藥劑迅速噴入電池箱內進行滅火，整個過程不超過0.2秒。

c）整個滅火結果，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，將專業(yè)設計的換熱板放置于電池箱內，在主機內對液體介質進行加熱/冷卻，再將液體送入換熱板內，通過內部流轉的液體進行循環(huán)換熱。技術指標要求：

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。

可以實現(xiàn)實現(xiàn)的基本目標：

a）防止電池溫度過高，減少電化學腐蝕，避免熱失控導致燃燒或爆炸；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，導致短路；

c）防止低溫過充時導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，遇熱迅速氣化，吸收大量熱量，達到快速降溫的作用，且在電池箱底部形成積液，可持續(xù)降溫。技術指標要求：

a）常溫常壓儲存下，滅火劑有效期達10年；

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

c）滅火劑能捕捉自由基，持續(xù)快速打斷鏈式反應，形成保護層，阻止復燃。

d）滅火劑介電強度大于60KV（不導電），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，溫室效應值（GWP）為1。

六、總結及建議

1）電動客車配置“動力電池安全智能系統(tǒng)”將是強制安全標準的要求?！稒C動車運行安全技術條件》（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、燃料電池汽車應設置具有向駕駛人員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)理應向高集成度方向發(fā)展。純電動客車的驅動電機也要保持一定工作溫度，客車車身里也要求自動滅火裝置?？蛙嚴锊豢赡芘渲霉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用。

5）中國電動汽車發(fā)展速度會很快的，安全措施（技術）必須要跟上。動力電池安全智能系統(tǒng)理應一個核心技術，一是持續(xù)提高質量，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。