動力電池?zé)崾Э氐脑蚴鞘裁矗縿恿﹄姵?類熱失控原因詳細分析

動力電池安全性問題概括起來叫“熱失控”，也就是到達一定的溫度之后，就不可控了，溫度直線上升，然后就會燃燒爆炸。而過熱、過充、內(nèi)短路、碰撞等是引發(fā)動力電池?zé)崾Э氐膸讉€關(guān)鍵因素。

(1)過熱觸發(fā)熱失控

導(dǎo)致動力電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設(shè)計的不合理，或者外短路導(dǎo)致電池的溫度升高、電纜的接頭松動等，應(yīng)該從電池設(shè)計和電池管理兩個方面來解決。

從電池材料設(shè)計角度，可以開發(fā)來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應(yīng)；從電池管理角度，可以預(yù)測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級，從而進行分級報警。

(2)過充電觸發(fā)熱失控

今年的一起純電動大巴起火事件原因就在于“過充電觸發(fā)的熱失控”，具體則是電池管理系統(tǒng)本身對過充電的電路安全功能缺失，導(dǎo)致電池的BMS已經(jīng)失控卻還在充電導(dǎo)致的。

針對這類過充電的原因，解決辦法首先是查找充電機的故障，這可以通過充電機的完全冗余來解決；其次是看電池管理合不合理，比如說沒有監(jiān)控每一節(jié)電池的電壓。

值得注意的是，隨著電池的老化，各個電池之間的一致性會越來越差，這時過充就更容易發(fā)生。這需要進行整個電池組的均衡，來保持電池組一致性。

比如采用“先并后串”這一最常見電池組組合方法的串聯(lián)的電池組，在解決單體一致性問題后，最好的情況是擁有與最小容量的單體一樣大的容量。有了這個一致性之后，容量回升了，同時也能防止過充。

為了實現(xiàn)一致性，必須有一種方法對各個單體進行容量估計。歐陽明高建議，可以根據(jù)充電曲線的相似性來進行全體電池組狀態(tài)的估計。

也即是說，只要知道了其中一個單體電池的充電曲線，其他的曲線應(yīng)該跟它是相似的。經(jīng)過曲線變化，它們可以近似重合，曲線變化的過程中間的這些差異就很容易計算。根據(jù)一個單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法，就可以進行上文提到的一致性的均衡，當(dāng)然這種算法的時間過長，需要進行簡化。

(3)內(nèi)短路觸發(fā)熱失控

波音787客機曾因電池爆炸起火。在查找事故原因時，發(fā)現(xiàn)電極和隔膜上有金屬物，產(chǎn)生了內(nèi)短路。雖然專家無法100%確認熱失控是由內(nèi)短路觸發(fā)的，但它是最可能的原因，因為找不到其他原因，且內(nèi)短路沒辦法“浮現(xiàn)”。

電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內(nèi)短路。這種內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時間非常長，而且不知道它什么時候會出現(xiàn)熱失控。若進行試驗，無法重復(fù)驗證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程，都在研究當(dāng)中。

要解決內(nèi)短路問題，首先要找到產(chǎn)品品質(zhì)好的電池廠商，選擇電池及電池單體容量；其次對內(nèi)短路進行安全預(yù)測，在沒有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。

這意味著必須要找到單體的特征參數(shù)，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內(nèi)阻也是不一致的，只要找到中間有變異的單體，就可以將其辨別出來。

具體而言，正常的一個電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，方程的形式實際上是一樣的，只不過正常單體、微短路的單體的參數(shù)發(fā)生了變化?？梢葬槍@些參數(shù)來進行研究，看其在內(nèi)短路變化中的一些特征。

其中特征之一就是內(nèi)短路單體的電勢差，比較其內(nèi)阻跟其他單體的差異。歐陽明高提出，研發(fā)人員要利用模型來進行單體的辨識。在測出每個單體的電壓、電流后，利用這些數(shù)據(jù)再結(jié)合模型，就可以把每個單體的內(nèi)阻預(yù)估出來。再把單體的參數(shù)全部預(yù)估出來后，根據(jù)參數(shù)的變化，便可以判斷其一致性是否發(fā)生了顯著性變化。

(4)機械觸發(fā)熱失控

碰撞是典型的機械觸發(fā)熱失控的一種方式。特斯拉屢次發(fā)生起火事故就是這個原因。歐陽明高透露，清華大學(xué)跟MIT共同合作對特斯拉在美國的碰撞事故進行過分析。如果在實驗室進行碰撞的一個仿真，最接近的是針刺。

解決碰撞觸發(fā)熱失控的辦法就是做好電池的安全保護設(shè)計。而這需要研發(fā)人員先了解熱失控的發(fā)生過程。

一般而言，熱失控發(fā)生之后，會往下傳播。比如第一節(jié)熱失控之后會有傳熱，開始傳播，然后整組像放鞭炮似的一個一個接下來。針對這種傳播，可以建立一個模型，包含中間溫度升高率、化學(xué)能電能的產(chǎn)熱、傳熱對流等。整個熱電耦合的模型，可以用量熱儀來做一個相關(guān)的定量分析。

有了傳播模型，研發(fā)人員可以設(shè)計如何來阻斷和抑制，這需要加隔熱層。但是，加隔熱層并不簡單，一方面加厚了體積大，另一方面隔熱層跟冷卻又是矛盾的。這些都是需要解決的問題。

總之，在熱失控擴展和抑制方面，研發(fā)人員要從安全保護設(shè)計和電池管理兩個方面著手。