動(dòng)力電池系統(tǒng)一般主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)BMS、熱管理系統(tǒng)以及一些電氣和機(jī)械系統(tǒng)等構(gòu)成。目前影響新能源汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用的因素包括電池系統(tǒng)成本、續(xù)航里程以及電池系統(tǒng)安全性等。

隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，安全性日益得到重視，動(dòng)力鋰離子電池在過充電、針刺、碰撞情況下易引起連鎖放熱反應(yīng)造成熱失控，造成冒煙、失火甚至爆炸等。同時(shí)動(dòng)力電池的性能，包括能量密度、使用壽命受溫度變化影響，所以熱管理的重要性進(jìn)一步體現(xiàn)出來(lái)。

一、熱失控的主要原因

從鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，車輛在不同的行駛狀況下，單體電芯由于其自身有一定的內(nèi)阻，在輸出電能的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，使得自身溫度變高，當(dāng)自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時(shí)會(huì)影響電池的性能和壽命。

而電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池系統(tǒng)是由多個(gè)動(dòng)力電池單體電芯構(gòu)成，動(dòng)力電池系統(tǒng)在工作過程中產(chǎn)生大量的熱聚集在狹小的電池箱體內(nèi)，熱量如果不能夠及時(shí)地快速散出，高溫會(huì)影響動(dòng)力電池壽命甚至出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致起火爆炸等。

從鋰離子電池的構(gòu)成部分來(lái)看，熱失控的可能原因主要出現(xiàn)在電解液、正負(fù)電極材料的熱穩(wěn)定性能上。比如鋰離子電池在充電時(shí)，金屬鋰的表面會(huì)沉積枝杈狀鋰枝晶，積累到一定程度就會(huì)刺穿電池隔膜，造成正負(fù)極直接接觸而短路導(dǎo)致熱失控。

一旦過充，鋰離子會(huì)從正極溢出與電解液溶劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱量。熱量會(huì)反過來(lái)繼續(xù)加熱電池觸發(fā)金屬鋰與溶劑、嵌鋰碳與溶劑混合反應(yīng)，在極小空間內(nèi)產(chǎn)生無(wú)法立即排出的熱量與氣體，于是電池爆炸。

從單體電芯到成組成系統(tǒng)層面上來(lái)看，單體電芯和模組級(jí)別的隔熱防控此前并沒有被過多關(guān)注。因此在電池系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中就必須要考慮到電芯單體和電池模塊所在位置的溫度環(huán)境的影響。

在設(shè)計(jì)電池模塊排列時(shí)，若單體電池或者模組之間排列緊湊且沒有散熱和隔熱措施的話，電池組在充放電時(shí)溫度會(huì)急劇上升帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

為了提高動(dòng)力電池的安全性，避免或抑制熱失控的發(fā)生。整體來(lái)看，解決鋰離子電池?zé)崾Э貑栴}需要從外部保護(hù)和內(nèi)部改進(jìn)兩個(gè)方面進(jìn)行。在談熱失控控制方法之前先介紹熱管理的構(gòu)成和國(guó)標(biāo)的要求。

二、熱管理系統(tǒng)的構(gòu)成

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是從使角度出發(fā)，用來(lái)確保電池系統(tǒng)工作在適宜溫度范圍內(nèi)的一套管理系統(tǒng)，主要由導(dǎo)熱介質(zhì)、測(cè)控單元以及溫控設(shè)備構(gòu)成。導(dǎo)熱介質(zhì)與電池組相接觸后通過介質(zhì)的流動(dòng)將電池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的熱量散至外界環(huán)境中，導(dǎo)熱介質(zhì)主要有空氣、液體與相變材料這三大類。

測(cè)控單元?jiǎng)t是通過測(cè)量電池系統(tǒng)以及電池模組甚至單體不同位置上的實(shí)時(shí)溫度來(lái)控制溫控設(shè)備進(jìn)行對(duì)應(yīng)的熱處理。常見的溫控設(shè)備有風(fēng)扇與泵機(jī)等。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有如下幾項(xiàng)主要功能：(1)電池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控；(2)電池組溫度過高時(shí)的有效散熱和通風(fēng)；(3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作；(4)有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)；(5)保證電池組溫度場(chǎng)的均勻分布。

三、國(guó)標(biāo)（意見推薦稿）的要求

就《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》來(lái)說，里面就有對(duì)電池單體和系統(tǒng)的熱失控相關(guān)測(cè)試。

比如8.1.5加熱章節(jié)，測(cè)試對(duì)象為鋰離子電池單體。將測(cè)試對(duì)象在室溫下，先以1I1電流放電至制造商技術(shù)條件中規(guī)定的放電終止電壓，擱置1h(或制造商提供的不大于1h的擱置時(shí)間)，然后按制造商提供的充電方法進(jìn)行充電。

→將測(cè)試對(duì)象放入溫度箱，溫度箱按照5℃/min的速率由室溫升至130℃±2℃，并保持此溫度30min后停止加熱。→試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)在試驗(yàn)環(huán)境溫度下觀察1h。

8.2.7章節(jié)熱穩(wěn)定性上分為外部火燒和熱擴(kuò)散，測(cè)試對(duì)象為鋰離子電池包或系統(tǒng)。外部火燒基本要求如下：試驗(yàn)環(huán)境溫度為0℃以上，風(fēng)速不大于2.5km/h。測(cè)試中，盛放汽油的平盤尺寸超過測(cè)試對(duì)象水平尺寸20cm，不超過50cm。

平盤高度不高于汽油表面8cm。測(cè)試對(duì)象應(yīng)居中放置。汽油液面與測(cè)試對(duì)象底部的距離設(shè)定為50cm。平盤底層注入水。外部火燒示意圖如圖所示。

第一階段：預(yù)熱。在離測(cè)試對(duì)象至少3m遠(yuǎn)的地方點(diǎn)燃汽油，經(jīng)過60s的預(yù)熱后，將油盤置于測(cè)試對(duì)象下方。如果油盤尺寸太大導(dǎo)致無(wú)法移動(dòng)，可以采用移動(dòng)測(cè)試對(duì)象和支架的方式。

第二階段：直接燃燒。測(cè)試對(duì)象直接暴露在火焰下70s。第三階段：間接燃燒。將耐火隔板蓋在油盤上。測(cè)試對(duì)象在該狀態(tài)下測(cè)試60s。或經(jīng)雙方協(xié)商同意，繼續(xù)直接暴露在火焰中60s。

8.2.7.1.7第四階段：離開火源。將油盤或者測(cè)試對(duì)象移開，在試驗(yàn)環(huán)境溫度下觀察2h或測(cè)試對(duì)象外表溫度降至45℃以下。

四、控制熱失控的方法

通過電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究，加強(qiáng)電池的加熱和散熱能力，保證電池工作在合適的溫度范圍內(nèi)和保持電池箱內(nèi)合理的溫度分布。因此研究需要從單體級(jí)別的熱失控產(chǎn)生機(jī)理及特性方面逐步擴(kuò)展到由單體熱失控觸發(fā)繼而傳播到整個(gè)電池系統(tǒng)的熱失控級(jí)別。

從內(nèi)部即電芯層面看，主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行研究和改善：

（1）對(duì)電解液進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)電解液的界面特性進(jìn)行改良以形成均勻薄質(zhì)的SEI膜，從而提高安全性能，改進(jìn)相關(guān)有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鹽和添加劑的配方從而提高熱穩(wěn)定性；

（2）正負(fù)極材料的優(yōu)化，比如針對(duì)正極材料進(jìn)行特殊表面處理，摻雜一些安全材料進(jìn)行包覆；

（3）在隔膜的選擇上需要高安全性能和熱穩(wěn)定的陶瓷涂層隔膜。保證隔膜在受熱收縮程度不會(huì)太大從而維持一定的穩(wěn)定性。

從外部即系統(tǒng)層面看，需要在進(jìn)行熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到電芯單體和電池模組這兩個(gè)層次的結(jié)構(gòu)。主要可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和防護(hù)：

（1）電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的整體設(shè)計(jì)需要結(jié)合具體電芯使用情況，以做好對(duì)應(yīng)的熱管理系統(tǒng)研制與開發(fā)。在電芯成組階段就需要完成良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證機(jī)械安全和熱安全性。

（2）熱管理材料的應(yīng)用，材料與部件的結(jié)合使用設(shè)計(jì)。液冷板的應(yīng)用就能好解決電池的溫度控制，實(shí)現(xiàn)高低溫的調(diào)控。

（3）關(guān)注電氣系統(tǒng)在繼電保護(hù)、過流防護(hù)及高壓互鎖方面的保護(hù)功能，尤其環(huán)境耐久性和老化上。

（4）需要電池管理系統(tǒng)在熱管理上發(fā)揮監(jiān)控和預(yù)判，實(shí)時(shí)監(jiān)控電芯的溫度等各種狀態(tài)然后配合熱管理系統(tǒng)采取對(duì)應(yīng)控制方式。

五、結(jié)語(yǔ)

結(jié)合今年國(guó)家發(fā)布的《電動(dòng)汽車安全要求》、《電動(dòng)客車安全要求》和《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池安全要求》三份意見征求稿，可以看到對(duì)熱失控的要求越來(lái)越嚴(yán)。這意味著熱管理的重要性日益被重視，所以做好熱管理的相關(guān)工作顯得十分重要。