什么是熱失控？熱失控產(chǎn)生的原因有哪些？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-05 14:37
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儲(chǔ)能、動(dòng)力電池組在發(fā)揮不可替代作用的同時(shí)，自身運(yùn)行也同樣面臨巨大挑戰(zhàn)與風(fēng)險(xiǎn)，既要提供設(shè)計(jì)功率和容量，以及續(xù)航時(shí)間，還要保證自身的運(yùn)行安全，特別是要防范熱失控風(fēng)險(xiǎn)及其所帶來(lái)的安全隱患。
我們都知道，除了對(duì)溫度敏感外，蓄電池最懼怕的操作是過(guò)充電和過(guò)放電，無(wú)論是哪一種情況，都會(huì)對(duì)蓄電池造成不可恢復(fù)的損傷，特別是容量的損傷最為嚴(yán)重，對(duì)于同一塊電池，過(guò)充電和過(guò)放電經(jīng)常是組合發(fā)生，一旦充電期間發(fā)生了過(guò)充電，那么放電期間在控制異常的情況下也會(huì)同樣發(fā)生過(guò)放電，一個(gè)充放電循環(huán)就發(fā)生兩次傷害，連續(xù)多個(gè)充放電循環(huán)后，電池受到的損傷將呈指數(shù)式形式加重，所以電池受到過(guò)充電或者過(guò)放電傷害后，電池組關(guān)鍵性能之一的容量將迅速下降，與實(shí)際應(yīng)用相符。這一情況會(huì)使電池組的性能處于劣化狀態(tài)，俗稱(chēng)一致性問(wèn)題。如果電池僅僅是過(guò)充電和過(guò)放電，問(wèn)題還不算嚴(yán)重，損失的主要是容量和續(xù)航時(shí)間，但由此帶來(lái)的熱失控風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題卻不可忽視，必須高度重視，否則極容易發(fā)生事故。
為提高管理質(zhì)量，重要電池組通常安裝BMS電池管理系統(tǒng)，雖然能對(duì)電池組包括單元電池的運(yùn)行進(jìn)行多種參數(shù)的監(jiān)控，例如電流、電壓、內(nèi)阻、最高電壓、最低電壓、過(guò)壓預(yù)警、欠壓預(yù)警等，但這種系統(tǒng)大都具有嚴(yán)重技術(shù)缺陷，那就是無(wú)法對(duì)異常電池進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)，管理作用沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。
近幾年，儲(chǔ)能、動(dòng)力、梯次利用電池組的火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，特別是鋰電池組和梯次利用鋰電池組，經(jīng)過(guò)事故分析，主要是由于熱失控故障引發(fā)，而引發(fā)熱失控的根本原因多是由于電池組的一致性問(wèn)題引起的，雖然這些鋰電池組都配備了BMS，具有強(qiáng)大的監(jiān)控功能，但仍未避免事故的發(fā)生，可見(jiàn)，問(wèn)題還是出現(xiàn)在BMS的設(shè)計(jì)缺陷和對(duì)一致性問(wèn)題的管理欠缺上。
電池組一致性問(wèn)題的解決方案有多種，理論和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用表明，最理想的解決方案電池均衡技術(shù)。儲(chǔ)能、動(dòng)力、梯次利用電池組的容量和工作電流通常都比較大，當(dāng)發(fā)生一致性問(wèn)題后，需要的均衡電流是較大的，一致性問(wèn)題越嚴(yán)重，需要的均衡電流就越大，如果均衡技術(shù)介入得早，在電池成組時(shí)就同步配套安裝，那么，較小的均衡電流也可以基本滿(mǎn)足。但如果電池成組時(shí)的一致性就不佳，則需要的均衡電流就要大一些，具體需要多大的均衡電流需要依據(jù)電池組的容量、一致性差異情況和實(shí)際工作電流而定，但如果支持的均衡電流較大，電池組的一致性表現(xiàn)將會(huì)非常好。
現(xiàn)有的各種電池均衡技術(shù)方案中，鑒于成本和技術(shù)因素通常都使用二極管進(jìn)行續(xù)流，實(shí)現(xiàn)電流或電量的轉(zhuǎn)移，但二極管都具有較大的導(dǎo)通壓降，即使采用導(dǎo)通壓降較小的肖特基二極管，在大電流時(shí)（例如5A以上）的損耗也是非常大的，寶貴的電能都變成了熱量損耗掉了，還提升了設(shè)備的溫升，降低了設(shè)備的效率和可靠性，可見(jiàn)，在電池均衡器的設(shè)計(jì)上在提升均衡電流的同時(shí)還必須同時(shí)提升設(shè)備的工作效率。本文作者大膽創(chuàng)新，另辟蹊徑，開(kāi)發(fā)出一種全新的特殊的雙向同步整流技術(shù)，應(yīng)用在自行開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器設(shè)計(jì)上，不僅支持的均衡電流成倍提高，而且轉(zhuǎn)換效率大幅提升，同等均衡電流下的溫升更低，更重要的是，整個(gè)設(shè)備的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類(lèi)型設(shè)計(jì)。這項(xiàng)最新技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，并且已經(jīng)應(yīng)用在最新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的單體2V鉛酸蓄電池組電池均衡器以及鋰電池組電池均衡器上，經(jīng)過(guò)測(cè)試，2類(lèi)電池均衡器單機(jī)可支持連續(xù)均衡電流高達(dá)20A以上，在20A滿(mǎn)負(fù)荷工作的情況下，2V鉛酸蓄電池組電池均衡器的均衡效率仍高達(dá)82%以上，全電流范圍內(nèi)，平均效率在85——97%之間；而鋰電池均衡器的效率更高，滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)的均衡效率高達(dá)90%以上。這種電池均衡器設(shè)計(jì)，支持電流擴(kuò)展，以滿(mǎn)足更大均衡電流需求，也可以并聯(lián)使用。通過(guò)樣機(jī)在大容量電池組的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，應(yīng)用效果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。附圖為24串2V600Ah電池組均衡測(cè)試圖，其中電池組上的白色裝置為設(shè)計(jì)均衡電流10A的2V鉛酸蓄電池專(zhuān)用均衡器樣機(jī)。這種高功率電池均衡技術(shù)通過(guò)高速分流技術(shù)均衡不同容量電池的電壓和容量，對(duì)于防控“熱失控”風(fēng)險(xiǎn)，提高電池組容量利用率和循環(huán)使用壽命非常明顯，同樣適用于超級(jí)電容器組的高速均衡，推廣和普及應(yīng)用意義重大。
圓柱形電池
圓柱形電池可分為14650、18650、21700等型號(hào)，這是由電池尺寸命名的電池名稱(chēng)。18650是目前市面上最為常見(jiàn)的電池型號(hào)，也是技術(shù)最為成熟的一種，而21700則是特斯拉近年來(lái)主推的新型電池。單節(jié)圓柱形電池的尺寸變得更大一些，電量也更多一些。如此一來(lái)，電芯的數(shù)量得以大幅減少，使得車(chē)輛在電池系統(tǒng)的控制方面更有優(yōu)勢(shì)。
在經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展后，圓柱形電池的標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，容易在行業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。另外圓柱形電池在散熱方面也有著先天的優(yōu)勢(shì)，封包時(shí)圓柱與圓柱之間形成了很好的散熱空間，所以部分搭載圓柱形電池的車(chē)輛采用了成本較低的風(fēng)冷技術(shù)。
特斯拉正在大力推進(jìn)21700型電池技術(shù)，不可否認(rèn)的是目前行業(yè)內(nèi)圓柱形電池的高采用率，受到了特斯拉一定的影響。
對(duì)于采用圓柱形電池的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，不可避免的要面對(duì)大量電池單體所帶來(lái)的電池控制問(wèn)題，畢竟即便是采用21700電池也需要將幾千枚圓柱電池放在一起形成電池包，數(shù)量非常龐大。另外由于圓柱形電池在組合成電池組時(shí)需采用鋼殼，所以其重量相對(duì)較高，能量密度相較于另兩種形狀的電池有所不足。
方形電池
方形電池的可塑性會(huì)更強(qiáng)一些，它能根據(jù)產(chǎn)品的具體需求而進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)。但這也導(dǎo)致了方形電池的大小不一，制造工藝標(biāo)準(zhǔn)也就沒(méi)有圓柱形電池那樣清晰。但也正因?yàn)槠潇`活性高，曾經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用在早期的新能源汽車(chē)中，車(chē)企可以根據(jù)車(chē)型不同而對(duì)電池尺寸進(jìn)行定制化生產(chǎn)，而不用受到圓柱形電池標(biāo)準(zhǔn)的限制。方形電池也曾一度被認(rèn)為是最適合新能源汽車(chē)應(yīng)用的電池設(shè)計(jì)。
目前方形電池在很多車(chē)型上都得到了應(yīng)用，比如寶馬的i系列車(chē)型、榮威ERX5、蔚來(lái)ES8，另外寶馬3系以及8系新能源車(chē)型，也都采用了方形電池技術(shù)，寶馬在當(dāng)時(shí)也希望由此實(shí)現(xiàn)在新能源汽車(chē)上輕量化的目標(biāo)。
軟包電池
軟包電池因?yàn)椴捎昧睡B加的制造方式，所以體積更小，能量密度更高，這對(duì)于我國(guó)新能源車(chē)市場(chǎng)的需求非常契合。軟包電池同樣可以像方形電池一樣進(jìn)行定制。尤其是對(duì)于混動(dòng)車(chē)型來(lái)說(shuō)，在考慮整車(chē)布局和配重時(shí)，軟包電池的優(yōu)勢(shì)就更加明顯了。因?yàn)檐洶姵刈非蟾永w薄的工藝，采用了比鋁外殼重量更輕的鋁塑膜包裝，其纖薄的程度你甚至可以用手感覺(jué)到內(nèi)部液態(tài)電池的流動(dòng)。更輕的電池組能讓整體車(chē)重更低，從而也為車(chē)企提供了更多的布局方法。隨著技術(shù)的進(jìn)步，越輕的單體電池在兼顧能量密度上的空間也越大。
目前通用旗下別克的VELITE5/VELITE5、凱迪拉克CT6插電、XT5混動(dòng)版車(chē)型、日產(chǎn)的軒逸純電都采用的是軟包電池?？傮w來(lái)說(shuō)軟包電池更受韓系、美系車(chē)企青睞，現(xiàn)代以及通用汽車(chē)最新的新能源車(chē)型都采用了軟包電池。
到底哪種更高級(jí)？
在目前的新能源車(chē)市場(chǎng)中，圓柱、方形、軟包三種電池造型都有一定的使用比例，并沒(méi)有絕對(duì)的好壞之分，只能說(shuō)是各有優(yōu)劣。
圓柱形電池由于發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，所以制造工藝也更加成熟，成本較低，同時(shí)也有固定的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量產(chǎn)品優(yōu)劣。不過(guò)在電池布局以及能量密度方面，圓柱形電池都還有著進(jìn)一步的提升空間。
而方形電池和軟包電池，雖然其在標(biāo)準(zhǔn)化上很難與圓柱電池相媲美，但其可以實(shí)現(xiàn)定制化的特點(diǎn)使其能夠更好地與車(chē)輛相協(xié)調(diào)，能夠滿(mǎn)足不同廠商不同車(chē)型的特殊需求。尤其是軟包電池，通過(guò)鋁膜外殼的使用能在保證安全的同時(shí)提高效率，但受成本的制約現(xiàn)在并沒(méi)有太多車(chē)企采用。圓柱、方形以及軟包電池對(duì)于市場(chǎng)而言都有各自的價(jià)值，但圓柱形三元鋰電池已經(jīng)成為了目前的主流，這也是車(chē)企在權(quán)衡性能和成本后的折中選擇。
我們都知道，除了對(duì)溫度敏感外，蓄電池最懼怕的操作是過(guò)充電和過(guò)放電，無(wú)論是哪一種情況，都會(huì)對(duì)蓄電池造成不可恢復(fù)的損傷，特別是容量的損傷最為嚴(yán)重，對(duì)于同一塊電池，過(guò)充電和過(guò)放電經(jīng)常是組合發(fā)生，一旦充電期間發(fā)生了過(guò)充電，那么放電期間在控制異常的情況下也會(huì)同樣發(fā)生過(guò)放電，一個(gè)充放電循環(huán)就發(fā)生兩次傷害，連續(xù)多個(gè)充放電循環(huán)后，電池受到的損傷將呈指數(shù)式形式加重，所以電池受到過(guò)充電或者過(guò)放電傷害后，電池組關(guān)鍵性能之一的容量將迅速下降，與實(shí)際應(yīng)用相符。這一情況會(huì)使電池組的性能處于劣化狀態(tài)，俗稱(chēng)一致性問(wèn)題。如果電池僅僅是過(guò)充電和過(guò)放電，問(wèn)題還不算嚴(yán)重，損失的主要是容量和續(xù)航時(shí)間，但由此帶來(lái)的熱失控風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題卻不可忽視，必須高度重視，否則極容易發(fā)生事故。
為提高管理質(zhì)量，重要電池組通常安裝BMS電池管理系統(tǒng)，雖然能對(duì)電池組包括單元電池的運(yùn)行進(jìn)行多種參數(shù)的監(jiān)控，例如電流、電壓、內(nèi)阻、最高電壓、最低電壓、過(guò)壓預(yù)警、欠壓預(yù)警等，但這種系統(tǒng)大都具有嚴(yán)重技術(shù)缺陷，那就是無(wú)法對(duì)異常電池進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)，管理作用沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。
近幾年，儲(chǔ)能、動(dòng)力、梯次利用電池組的火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，特別是鋰電池組和梯次利用鋰電池組，經(jīng)過(guò)事故分析，主要是由于熱失控故障引發(fā)，而引發(fā)熱失控的根本原因多是由于電池組的一致性問(wèn)題引起的，雖然這些鋰電池組都配備了BMS，具有強(qiáng)大的監(jiān)控功能，但仍未避免事故的發(fā)生，可見(jiàn)，問(wèn)題還是出現(xiàn)在BMS的設(shè)計(jì)缺陷和對(duì)一致性問(wèn)題的管理欠缺上。
電池組一致性問(wèn)題的解決方案有多種，理論和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用表明，最理想的解決方案電池均衡技術(shù)。儲(chǔ)能、動(dòng)力、梯次利用電池組的容量和工作電流通常都比較大，當(dāng)發(fā)生一致性問(wèn)題后，需要的均衡電流是較大的，一致性問(wèn)題越嚴(yán)重，需要的均衡電流就越大，如果均衡技術(shù)介入得早，在電池成組時(shí)就同步配套安裝，那么，較小的均衡電流也可以基本滿(mǎn)足。但如果電池成組時(shí)的一致性就不佳，則需要的均衡電流就要大一些，具體需要多大的均衡電流需要依據(jù)電池組的容量、一致性差異情況和實(shí)際工作電流而定，但如果支持的均衡電流較大，電池組的一致性表現(xiàn)將會(huì)非常好。
現(xiàn)有的各種電池均衡技術(shù)方案中，鑒于成本和技術(shù)因素通常都使用二極管進(jìn)行續(xù)流，實(shí)現(xiàn)電流或電量的轉(zhuǎn)移，但二極管都具有較大的導(dǎo)通壓降，即使采用導(dǎo)通壓降較小的肖特基二極管，在大電流時(shí)（例如5A以上）的損耗也是非常大的，寶貴的電能都變成了熱量損耗掉了，還提升了設(shè)備的溫升，降低了設(shè)備的效率和可靠性，可見(jiàn)，在電池均衡器的設(shè)計(jì)上在提升均衡電流的同時(shí)還必須同時(shí)提升設(shè)備的工作效率。本文作者大膽創(chuàng)新，另辟蹊徑，開(kāi)發(fā)出一種全新的特殊的雙向同步整流技術(shù)，應(yīng)用在自行開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器設(shè)計(jì)上，不僅支持的均衡電流成倍提高，而且轉(zhuǎn)換效率大幅提升，同等均衡電流下的溫升更低，更重要的是，整個(gè)設(shè)備的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類(lèi)型設(shè)計(jì)。這項(xiàng)最新技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，并且已經(jīng)應(yīng)用在最新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的單體2V鉛酸蓄電池組電池均衡器以及鋰電池組電池均衡器上，經(jīng)過(guò)測(cè)試，2類(lèi)電池均衡器單機(jī)可支持連續(xù)均衡電流高達(dá)20A以上，在20A滿(mǎn)負(fù)荷工作的情況下，2V鉛酸蓄電池組電池均衡器的均衡效率仍高達(dá)82%以上，全電流范圍內(nèi)，平均效率在85——97%之間；而鋰電池均衡器的效率更高，滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)的均衡效率高達(dá)90%以上。這種電池均衡器設(shè)計(jì)，支持電流擴(kuò)展，以滿(mǎn)足更大均衡電流需求，也可以并聯(lián)使用。通過(guò)樣機(jī)在大容量電池組的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，應(yīng)用效果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。附圖為24串2V600Ah電池組均衡測(cè)試圖，其中電池組上的白色裝置為設(shè)計(jì)均衡電流10A的2V鉛酸蓄電池專(zhuān)用均衡器樣機(jī)。這種高功率電池均衡技術(shù)通過(guò)高速分流技術(shù)均衡不同容量電池的電壓和容量，對(duì)于防控“熱失控”風(fēng)險(xiǎn)，提高電池組容量利用率和循環(huán)使用壽命非常明顯，同樣適用于超級(jí)電容器組的高速均衡，推廣和普及應(yīng)用意義重大。
圓柱形電池
圓柱形電池可分為14650、18650、21700等型號(hào)，這是由電池尺寸命名的電池名稱(chēng)。18650是目前市面上最為常見(jiàn)的電池型號(hào)，也是技術(shù)最為成熟的一種，而21700則是特斯拉近年來(lái)主推的新型電池。單節(jié)圓柱形電池的尺寸變得更大一些，電量也更多一些。如此一來(lái)，電芯的數(shù)量得以大幅減少，使得車(chē)輛在電池系統(tǒng)的控制方面更有優(yōu)勢(shì)。
在經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展后，圓柱形電池的標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，容易在行業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。另外圓柱形電池在散熱方面也有著先天的優(yōu)勢(shì)，封包時(shí)圓柱與圓柱之間形成了很好的散熱空間，所以部分搭載圓柱形電池的車(chē)輛采用了成本較低的風(fēng)冷技術(shù)。
特斯拉正在大力推進(jìn)21700型電池技術(shù)，不可否認(rèn)的是目前行業(yè)內(nèi)圓柱形電池的高采用率，受到了特斯拉一定的影響。
對(duì)于采用圓柱形電池的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，不可避免的要面對(duì)大量電池單體所帶來(lái)的電池控制問(wèn)題，畢竟即便是采用21700電池也需要將幾千枚圓柱電池放在一起形成電池包，數(shù)量非常龐大。另外由于圓柱形電池在組合成電池組時(shí)需采用鋼殼，所以其重量相對(duì)較高，能量密度相較于另兩種形狀的電池有所不足。
方形電池
方形電池的可塑性會(huì)更強(qiáng)一些，它能根據(jù)產(chǎn)品的具體需求而進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)。但這也導(dǎo)致了方形電池的大小不一，制造工藝標(biāo)準(zhǔn)也就沒(méi)有圓柱形電池那樣清晰。但也正因?yàn)槠潇`活性高，曾經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用在早期的新能源汽車(chē)中，車(chē)企可以根據(jù)車(chē)型不同而對(duì)電池尺寸進(jìn)行定制化生產(chǎn)，而不用受到圓柱形電池標(biāo)準(zhǔn)的限制。方形電池也曾一度被認(rèn)為是最適合新能源汽車(chē)應(yīng)用的電池設(shè)計(jì)。
目前方形電池在很多車(chē)型上都得到了應(yīng)用，比如寶馬的i系列車(chē)型、榮威ERX5、蔚來(lái)ES8，另外寶馬3系以及8系新能源車(chē)型，也都采用了方形電池技術(shù)，寶馬在當(dāng)時(shí)也希望由此實(shí)現(xiàn)在新能源汽車(chē)上輕量化的目標(biāo)。
軟包電池
軟包電池因?yàn)椴捎昧睡B加的制造方式，所以體積更小，能量密度更高，這對(duì)于我國(guó)新能源車(chē)市場(chǎng)的需求非常契合。軟包電池同樣可以像方形電池一樣進(jìn)行定制。尤其是對(duì)于混動(dòng)車(chē)型來(lái)說(shuō)，在考慮整車(chē)布局和配重時(shí)，軟包電池的優(yōu)勢(shì)就更加明顯了。因?yàn)檐洶姵刈非蟾永w薄的工藝，采用了比鋁外殼重量更輕的鋁塑膜包裝，其纖薄的程度你甚至可以用手感覺(jué)到內(nèi)部液態(tài)電池的流動(dòng)。更輕的電池組能讓整體車(chē)重更低，從而也為車(chē)企提供了更多的布局方法。隨著技術(shù)的進(jìn)步，越輕的單體電池在兼顧能量密度上的空間也越大。
目前通用旗下別克的VELITE5/VELITE5、凱迪拉克CT6插電、XT5混動(dòng)版車(chē)型、日產(chǎn)的軒逸純電都采用的是軟包電池?？傮w來(lái)說(shuō)軟包電池更受韓系、美系車(chē)企青睞，現(xiàn)代以及通用汽車(chē)最新的新能源車(chē)型都采用了軟包電池。
到底哪種更高級(jí)？
在目前的新能源車(chē)市場(chǎng)中，圓柱、方形、軟包三種電池造型都有一定的使用比例，并沒(méi)有絕對(duì)的好壞之分，只能說(shuō)是各有優(yōu)劣。
圓柱形電池由于發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，所以制造工藝也更加成熟，成本較低，同時(shí)也有固定的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量產(chǎn)品優(yōu)劣。不過(guò)在電池布局以及能量密度方面，圓柱形電池都還有著進(jìn)一步的提升空間。
而方形電池和軟包電池，雖然其在標(biāo)準(zhǔn)化上很難與圓柱電池相媲美，但其可以實(shí)現(xiàn)定制化的特點(diǎn)使其能夠更好地與車(chē)輛相協(xié)調(diào)，能夠滿(mǎn)足不同廠商不同車(chē)型的特殊需求。尤其是軟包電池，通過(guò)鋁膜外殼的使用能在保證安全的同時(shí)提高效率，但受成本的制約現(xiàn)在并沒(méi)有太多車(chē)企采用。圓柱、方形以及軟包電池對(duì)于市場(chǎng)而言都有各自的價(jià)值，但圓柱形三元鋰電池已經(jīng)成為了目前的主流，這也是車(chē)企在權(quán)衡性能和成本后的折中選擇。
