鋰離子動(dòng)力電池安全解決方案

動(dòng)力電池安全是新能源汽車大規(guī)模應(yīng)用中最重要的問(wèn)題之一。介紹了鋰離子動(dòng)力電池作為汽車電源系統(tǒng)的安全性和解決方案。動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全問(wèn)題主要分為“進(jìn)化”、“觸發(fā)”和“延伸”三個(gè)層次。“進(jìn)化”是指在安全事故發(fā)生之前，動(dòng)力電池發(fā)生故障的漫長(zhǎng)進(jìn)化過(guò)程。觸發(fā)器是進(jìn)化過(guò)程中的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也可能是一個(gè)突然的事件，它會(huì)破壞動(dòng)力電池系統(tǒng)，導(dǎo)致安全問(wèn)題。動(dòng)力電池安全“觸發(fā)”問(wèn)題的核心是鋰離子動(dòng)力電池的熱失控。在熱失控“觸發(fā)”攻擊后，應(yīng)避免熱失控“膨脹”攻擊。

 

從最近的鋰電池安全故事開(kāi)始，我們介紹了“進(jìn)化”、“觸發(fā)”和“擴(kuò)展”的概念。之后，容納這三個(gè)層次，一個(gè)接一個(gè)地開(kāi)放澄清。

 

1. 鋰電池安全審查

 

表1是近年來(lái)鋰離子動(dòng)力電池事故的不完全統(tǒng)計(jì)。圖1說(shuō)明了表1中的一些事件。

 

 

由此可見(jiàn)，鋰離子動(dòng)力電池的主要性能是由火災(zāi)引起的熱量失控?；馂?zāi)焚燒是一個(gè)令人擔(dān)憂的安全問(wèn)題，但事實(shí)上，目前事故造成的損害有限，除了焚燒電池組，對(duì)車體的損害，對(duì)周圍車輛的點(diǎn)火，襲擊造成的人員傷亡相對(duì)較少。在大多數(shù)情況下，人們可以及時(shí)得到危險(xiǎn)警告并安全撤離事故現(xiàn)場(chǎng)。事故4 (byd taxi crash and fire)的傷亡主要是高速碰撞造成的，導(dǎo)致車內(nèi)乘客暈倒，無(wú)法逃生。事故5(波音787電池起火)的受傷原因是飛機(jī)緊急降落后在疏散過(guò)程中摔倒。

 

鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)由多節(jié)電池組成，實(shí)際車載工作條件混亂。安全問(wèn)題表現(xiàn)在三個(gè)層次上(圖2)。

 

1)電池系統(tǒng)安全的“進(jìn)化”。在安全事件之前，有兩種情況。一是電池系統(tǒng)老化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致可靠性下降，也稱安全“進(jìn)化”，如表1中事件1、2、3、5、7;另一種是電池系統(tǒng)的突然損壞，導(dǎo)致熱控制的丟失和電池的燃燒，也稱為安全“災(zāi)難”，如表1中的事故4和6。安全的“進(jìn)化”和“變異”統(tǒng)稱為“進(jìn)化”。

 

2)“觸發(fā)”電池系統(tǒng)安全問(wèn)題。電池系統(tǒng)的長(zhǎng)期老化和突發(fā)事件造成的電池系統(tǒng)損壞可能進(jìn)一步“演變”為鋰離子動(dòng)力電池的熱失控和火災(zāi)焚燒。鋰離子電池正常工作與熱、火失控之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)被稱為“觸發(fā)點(diǎn)”。

 

3)電池系統(tǒng)安全的“擴(kuò)展”。當(dāng)一個(gè)電池或電池組中的一些電池被熱損失“觸發(fā)”后，熱損失和焚燒在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的熱量。這些熱量傳遞到周圍的電池和電池系統(tǒng)的配件，會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的二次損傷，如周圍的電池連續(xù)熱損耗和燃燒，或火焰?zhèn)鬟f點(diǎn)燃了汽車線束和內(nèi)部。這種失控的熱和火蔓延到周圍的現(xiàn)象被稱為事件的“延伸”。

 

2. 鋰電池安全“進(jìn)化”

 

安全事件發(fā)生前有兩種情況。一是電池系統(tǒng)老化導(dǎo)致的可靠性下降，也稱安全“進(jìn)化”，如表1事件1、2、3、5、7;另一種是電池系統(tǒng)在緊急情況下被損壞，導(dǎo)致電池?zé)釗p失和火災(zāi)焚燒，也稱為安全“突變”，如表1中的事故4和事故6(特斯拉高速碰撞火災(zāi)事故)。在時(shí)間尺度上，安全演化需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而安全突變則需要較短的時(shí)間。例如，事故1(當(dāng)普銳斯的電池冒煙并著火時(shí))是由于安全進(jìn)化引起的。事故5(波音787電池起火事件)是安全演變的結(jié)果。從設(shè)計(jì)缺陷到內(nèi)部短路觸發(fā)，電池需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的內(nèi)部短路“生長(zhǎng)孕育期”和較長(zhǎng)的不合理使用時(shí)間;然而，由于突然的安全變化，動(dòng)力電池受到突然的機(jī)械變形的沖擊，電池不僅受到擠壓和方位角運(yùn)動(dòng)的攻擊，從而形成短路和熱失控。