电动汽车动力锂电池安全性研究.pdf

汽车测试报告100汽车安全技术电动汽车动力锂电池安全性研究孙 聪 王凤阳 刘 勇（中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司 湖北 武汉 430000）摘要：目前，电动汽车在人们的生活中得到广泛应用，并成为当下汽车行业发展趋势之一。然而，动力锂电池的安全性和使用寿命一直是限制电动汽车发展的主要问题之一。动力锂电池在不正确使用，以及外界温度太高或受到挤压破损时都会引起热失控，对此应从多方面着手优化热控制技术，改进电池内部材料及结构，从而有效提升动力锂电池的安全性能。该文对动力锂电池安全特性进行分析，探讨电动汽车动力锂电池热失控问题，从预防和控制两方面提出电动汽车动力锂电池火灾安全防控策略，以更好地推动电动汽车产业的发展。关键词：电动汽车；锂电池；锂电池技术作者简介：孙聪，中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司工程师，研究方向为锂电池安全及电性能测试；王凤阳，中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司工程师，研究方向为新能源汽车动力系统；刘勇，中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司工程师，研究方向为新能源汽车动力电池。1 动力锂电池安全特性电动汽车动力锂电池的构成包括正极、负极、电解液等。其中，正极所使用的材料一般是锂离子脱嵌化合物，其代表性电池包括钴酸锂、三元材料和磷酸铁锂等电池；负极一般使用石墨化碳、石墨等材料；电解液一般是由有机溶剂与六氟磷酸锂组成的混合液，被用于锂电池正负极之间发生氧化还原反应。在电动汽车中装配动力锂电池时，为了安全起见，一般都会事先对动力锂电池的容量、内阻及充放电等特性进行综合评估，以更好地提升动力锂电池的性能。1.1容量特性一般情况下，动力锂电池容量越大，其安全问题越突出。电池容量一般指在一定的环境下，电池所释放出来的电能大小，即所储存的电量。在不同的情况下，动力锂电池的容量被划分为 3 种类型，即额定、实际和理论容量。额定容量是指电池在规定条件下应放出的最低限度的电量；实际容量是指电池在一定放电条件下实际所能输出的电量；理论容量一般是根据法拉第定律计算出来的，是活性物质全部参加电池反应所放出的电量。通常情况下，理论容量高于实际容量，但在实际应用中，实际容量很容易被外界的环境影响，比如温度、放电电流等。而电动汽车上装载的动力锂电池容量一般较大，一旦发生事故则破坏程度也较大。1.2电压特性在对电动汽车动力锂电池进行安全性评估时，其电压是重要衡量标准之一，电压过高将会导致严重的安全事故。因此，在对动力锂电池的电压进行分析时，应着重对其开路电压和路端电压进行分析。一般电池在开路后，再经过一段时间静置，其测量的电压被称为开路电压。该电压与电池的 SOC 之间存在密切的联系，并被认为是衡量电池荷电性能的一个重要指标1。一般情况下，电池电压被认为是路端电压，主要是指在工作状态下所测量的电池实际电压。因为受到电池内部极化效应和内阻的影响，电池在充电时，路端电压会高于开路电压；相反，在电池放电时，开路电压会高于运行时对应的路端电压。因此，准确把控电动汽车动力锂电池的电压状态，有助于尽早发现安全性问题。1.3内阻特性动力锂电池内阻是指在电流流动到电池内部后所造成的阻力。电池内阻会受到其容量大小、温度、充电状态和使用时间长短等因素的影响。与此同时，由于电池的种类不同，其内阻也会有所差异。根据测试分析，可将动力锂电池的内阻分为直流和交流两种类型。直流内阻是工作条件下电池的电压变化101汽车安全技术2023.6和相应的放电电流变化的比值；而交流内阻是一种电压和电流的传递函数，其反映了电池对交流电的反抗能力。电动汽车一般要求使用大容量、低内阻的动力锂电池，这也使得其放电电流能够很大，安全风险也较大。1.4充电特性电动汽车动力锂电池的充电量和放电量与其充放电倍率之间存在紧密的联系2。动力锂电池充放电倍率是一种反映电池充放电速度快慢的物理量。在对动力锂电池进行充电或放电时，一般都需要用电池充放电倍率来反映路端电压的大小。同时，标准的动力锂电池有两种充电方式，即恒流充电、恒压充电。在电池充电时，因为截止电压是固定的，所以如果充电倍率较大，则说明电量比较小，充至截止电压所需时间也较短。因此，在给动力锂电池充电时，应从恒流充电开始。此时，电池的内部有可能发生热反应，电池的电压也会上升，直到截止电压。然后进入恒压充电阶段，在这一过程中，电流会逐步下降，转为浮充状态。这有利于确保电动汽车动力锂电池充电安全。1.5放电特性电动汽车动力锂电池的放电除了会受到放电倍率的影响之外，还会受到 SOC 和车身温度的影响。因为在放电时，动力锂电池会受到汽车自身和外部环境等各种因素的影响，所以释放的能量也会有差异。假设动力锂电池的放电倍率不变，则放电曲线会表现为开始阶段、平台阶段和结束阶段 3 种不同的状态。其中，在开始阶段，动力锂电池的电压有短暂的大幅度波动，其放电量很小；在平台阶段，尽管电压变化不大，但是连续放电量较大；在结束阶段，动力锂电池电量速率变化很快，使得电压下降较为显著，直到放至截止电压状态才会停止放电。此外，尽管在不同的放电倍率下，动力锂电池电压有明显的下降趋势，但是由于其内部电阻的影响，电量下降速率也各不相同3。因此，准确把握电动汽车动力锂电池在不同阶段的放电特性，可以有效避免过载、过流、温度过高等安全性问题。2 电动汽车动力锂电池热失控问题2.1外部撞击引起热失控一般在电动汽车发生交通事故时，都会有各种程度和形式的碰撞。而强大的外力会直接对动力锂电池造成影响，从而导致电池外壳发生变形和破损，使电池配件出现移动或者短路、损坏等问题。动力锂电池内部的隔膜如果发生破裂，会造成电池内部短路，使易燃电解质泄漏出来。在大部分因撞击造成的热失控案例中，最严重的是电池内部穿透伤害，严重的穿透伤害会直接损坏电池内部，导致电池的正负极立即短路并使热量集中爆发，即引发发热失控，最后电池不能再正常工作。2.2操作不规范引起热失控在使用电动汽车时，不同的操作行为会对动力锂电池造成不同的影响。例如，人为过度充放电、长时间爬坡消耗大量电能等会引起动力锂电池热失控。相比于过充或短路，过放行为对动力锂电池的损害较小，但也有可能导致电池的安全性下降，从而增加电池的热失控风险。当外界线路发生短路时，动力锂电池内部的热量得不到及时扩散，此时会因升温而产生热失控问题4。此外，过度充电也是对动力锂电池危害比较严重的一种行为，是引发电池热失控的主要因素之一。充电过度会导致过多的锂嵌入，从而在阳极表面生成锂枝晶。锂的过度脱嵌会导致阴极结构因热量和氧释放而崩溃，氧的释放又会加快电解质的分解速度，进而生成大量的气体。此外，动力锂电池内部压力不断变大，会触发排气阀打开，使电池向外排气。在这种情况下，电芯内部的活性材料与空气接触，会发生强烈的化学反应，释放出大量热量，从而引起电池着火。2.3外界温度过高引起热失控当电动汽车在夏季长时间过载行驶或暴晒时，高温环境也会引起电动汽车动力锂电池热失控。这主要是在外界环境温度过高的情况下，动力锂电池本身的热量无法进行有效的扩散，内部和外部的热压积聚，会引起锂电池温控系统失效，即无法发挥其应有的防护作用，进而引起短路，导致热失控。此外，电动汽车空调系统故障、热管理系统故障、外部碰撞对锂电池自身结构造成破坏等也会使得外部温度过高，从而引发电池热失控。3 电动汽车动力锂电池火灾安全防控策略3.1运行前防范策略为了进一步防止电动汽车动力锂电池使用过程中出现火灾风险隐患，应采取科学的预防措施来规避安全隐患，大力开展具有阻燃特性的电解液的研究，开发并研制出具有耐高温、高压性能的内部隔膜材料。同时，也要加强对具有较宽适用温度范围和较安全的固态锂电池的开发，并构建出预防热失控火灾的试验模型，对动力锂电池的火灾危险性评汽车测试报告102汽车安全技术估体系进行完善5。此外，在生产过程中，要展开有针对性的评估，及时了解潜在风险。并对其进行合理的处理。在电动汽车运行过程中，还需要增强火灾防控的能力，建立完善的火灾早期预警系统和防控系统，对灭火器材料进行合理选择，以及对目前的灭火技术进行改进。具体而言，设计人员可从 4 个方面着手。一是加强研发与学习。在具体的研发中，要加大科研投入，对新材料进行合理的研发，提高电池的能量密度和安全性，并主动学习先进技术，以确保动力锂电池的安全性。二是开展测量试验，分阶段进行热失控和点火燃烧试验，对温度数据、泄漏喷射距离、可燃系数及有毒有害气体排放数据等进行总结，以制定可行的风险防范方案。三是制定标准。利用先进的模拟仿真软件模拟由电池热失控引起的整个电动汽车火灾的热量传播路径、燃烧路径等，确定具体的变化规律后，选择有针对性的防范措施，并结合实际的火灾模拟试验，制定出一套完整的电动汽车动力锂电池安全技术标准。四是建立预警体系。应建立初级火情预警体系，对早期火情进行分析。借助该体系，能够在早期发布报警信息，及时通知车主采取一系列灭火措施，防止更严重火灾的发生。3.2运行过程控制策略在电动汽车运行过程中，如果动力锂电池发生起火事故，那么要及时地对其进行灭火控制。为了防止火势进一步蔓延，需要快速了解热失控的迹象和状况，从而将火扑灭。在这个过程中，要利用一套能够针对动力锂电池前期火灾的防控装置，并与动力锂电池热失控的整个发展情况、温度变化等特点相结合6。例如，可对 3 个不同温度等级（50、65、80）设置预警，在确保电动汽车系统运行性能的前提下，及时对火灾风险问题进行预测，并提前做出计划方案，以消除可能出现的火灾。同时，还可以使用空气、液体、热管等冷却技术对动力锂电池进行散热处理，以在电池出现热失控的时候，能够将最初的火灾安全隐患消除。运行过程控制策略失效，导致动力锂电池着火时，则需要采用专业的动力锂电池灭火技术与机械设备进行火灾控制，以提高灭火的成功率，避免出现火灾进一步蔓延问题和火灾事故的进一步扩大。为了增强对动力锂电池火灾危险的控制效果，可建立相应的管理机制，并将其作为灭火行动指导，以动力锂电池的着火特点和应用的危险性情况等为依据，科学化地应用控制措施对其进行处理。需要注意的是，应对电动汽车用户进行有关消防危险性防控知识的普及，使电动汽车用户在使用过程中能够自觉地对动力锂电池存在的火灾隐患进行预防和控制，确保其应用的安全性能。4 结束语与传统燃油汽车相比，电动汽车更加环保，更符合汽车行业的未来发展需求。但目前电动汽车技术相对来说还有待进一步完善，因此在电动汽车的制造过程中，必须将安全问题放在第一位。同时，动力锂电池是新能源汽车的主要动力源，其安全、稳定、可靠的性能是保障和加速电动汽车行业发展的关键，也是实现资源节约型、环境友好型社会建设的关键。因此，应从提高电动汽车动力锂电池正负极材料的稳定性、强化电池内部隔膜材料、提升电池整体耐高温性、研发阻燃或不燃电解液、优化电池热管理系统、配备专业锂电池灭火技术和设备等方面着手，对各个环节进行持续的改进，从而真正提升电动汽车动力锂电池的安全性，更好地推动电动汽车产业的进步与发展。参考文献：1 谭星浩,刘有耀,张雪兰.改进无迹粒子滤波的电动汽车锂电池 S O C 估算 J .传感器与微系统,2 0 2 2(4):1 3 4-1 3 7.2 张宇杰,汪兴兴,朱昱,等.宽温度范围内方形三元锂电池倍率放电性能 J .储能科学与技术,2 0 2 2 (1 2):3 9 5 0-3 9 5 6.3 刘吉仁.纯电动汽车锂离子电池性能分析及维护保养 J .南方农机,2 0 2 2(8):1 4 4-1 4 6.4 刘万青.电动汽车锂电池液冷防爆技术实现突破 J .表面工程与再制造,2 0 2 2(4):6 0-6 1.5 徐升智.电动汽车火灾扑救的作战安全探究 J .消防界(电子版),2 0 2 2(2 0):7 5-7 7.6 袁朱晨.基于正交设计方法的某电动汽车锂电池液冷板设计 J .农业装备与车辆工程,2 0 2 2(1 1):1 0 8-1 1 3.