詳解動力電池燃燒原因及熱失控防范措施
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-09 16:04
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著火、爆炸是動力電池系統(tǒng)較為常見的熱失控危害表現(xiàn)，造成的影響，也更為嚴重，不但會造成財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞，甚至?xí)斐扇松韨蛏ｋU。
熱失控誘因
導(dǎo)致動力電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的可能原因有：
1、動力電池（電芯）的放熱副反應(yīng)導(dǎo)致熱失控，引燃電解液和其他可燃物質(zhì)；
2、動力電池系統(tǒng)的高壓回路中局部連接抗阻抗過大，有大電流流過時倒至溫度上升達到著火點溫度，引燃動力電池系統(tǒng)內(nèi)部的可燃物質(zhì)；
3、動力電池系統(tǒng)外部發(fā)生燃燒，導(dǎo)致動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度持續(xù)上升，達到著火點溫度，引燃內(nèi)部的可燃物質(zhì)。
針對電動汽車的使用的情況分析，第一種情況的發(fā)生概率較高，危險系數(shù)也較高，電芯的放熱副反應(yīng)導(dǎo)致熱失控是動力電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的主要原因。
鋰離子電池內(nèi)部主要放熱反應(yīng)有：
1、ESI膜的分解,溫度范圍是90~120℃；
2、負極與電解液的反應(yīng),溫度達到120℃以上；
3、電解液分解,溫度大概在200℃左右；
4、正極與電解液的反應(yīng)，伴隨正極分解析出氧氣，溫度范圍在180~500℃；
5、負極與粘結(jié)劑的反應(yīng)，大概在240度以上。
電芯熱失控（燃燒、爆炸）的根本原因是電芯內(nèi)部的放熱副反應(yīng)導(dǎo)致熱量累積，電芯對外熱交換的速率小于熱量積累速率，溫度持續(xù)升高，直接達到著火點溫度，引起燃燒和爆炸。
電芯內(nèi)部的熱過程遵循能量守恒：Qp = Qe + Qa
公式中Qp為電芯內(nèi)部各種負反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，Qe為電芯與環(huán)境交換的熱量，也就是散熱，Qa是電信自己吸收的熱量及熱積累。如果Qe≥Qp則Qa為為負值或零，電芯內(nèi)部溫度不會上升，不會產(chǎn)生熱失控；如果Qe＜Qpq為，電芯內(nèi)部溫度會持續(xù)上升，直至達到熱失控溫度200~300℃。
從上面的分析可以看出，如果不能阻斷電芯內(nèi)部的放熱副反應(yīng)，電信內(nèi)部的溫度就會一直上升，直至發(fā)生熱失控事件，要降低事故發(fā)生的風(fēng)險，可采取的措施有：
采取保護措施，降低外部突發(fā)因素發(fā)生概率（比如過充、過放、過熱、短路、擠壓、穿刺等）；
阻斷放熱副反應(yīng)的正反饋過程，如在PACK模組在采用邦定保險絲工藝，或在正負極材料與集流體之間增加PTC材料；
降低放熱副反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，如選擇磷酸鐵鋰正極材料，改變電解液的有機溶劑成分等；
提高著火點溫度，如在電解液中添加阻燃材料，選用陶瓷隔膜等；
提高散熱能力，避免熱積累，如采用高效的液冷設(shè)計方案，也有個別方案將整個電池，浸在冷卻液中。
以上，所總結(jié)的熱失控機理與防范措施，在電池全系電池設(shè)計、制造中都有實踐，但是針對實際中不同材料體系會有不同化學(xué)特性，其電芯熱失控機理存在不同，不同的系統(tǒng)設(shè)計也會導(dǎo)致系統(tǒng)級的危險和解決措施各不相同，效果也千差萬別。
最有實效、應(yīng)用最廣泛的防范措施就是熱失控監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)。
煙臺創(chuàng)為新能源“鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ?rdquo;技術(shù)的出現(xiàn)，開拓了電池箱熱失控監(jiān)測及自動滅火技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用時代，創(chuàng)領(lǐng)了電池箱專用自動滅火裝置行業(yè)的興起和發(fā)展。
“鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ?rdquo;分為縱向、橫向和垂向三維?？v向為多傳感器的數(shù)據(jù)冗合，即對多組同環(huán)境下的傳感器數(shù)據(jù)進行多次擬合，模擬不同材料、不同環(huán)境的數(shù)據(jù)表征曲線；橫向為對傳感器的歷史數(shù)據(jù)進行連續(xù)時間算法，排除噪聲干擾，有效解決了閾值法監(jiān)測方式的漏報、誤報、預(yù)警滯后問題；垂向采用穿刺、鈍針積壓等不同方法模擬不同類型容量動力電池?zé)崾Э剡^程。
通過三維融合，用數(shù)學(xué)手段，以大量實驗及真實運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，歸納熱失控導(dǎo)致的各種變量之間的內(nèi)在關(guān)系，采用神經(jīng)學(xué)原理，形成極早、高可靠、自運行的“鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ?rdquo;，實現(xiàn)電池活在隱患的早期預(yù)警和智能控制。
大量實車運行中發(fā)生的預(yù)警實例證明了此模型的有效性和先進性，使之成為當(dāng)前電池箱熱失控預(yù)警及自動滅火的核心技術(shù)。
預(yù)警實例一
2017年3月，某公交公司3路純電動公交3號電池箱報2級預(yù)警（安全隱患等級），駕駛員及時上報公司，并停止運行。采集數(shù)據(jù)分析，其他箱體電池氣體含量和變化率正常，3號電池箱氣體含量和變化率明顯高出。判定為電池危險氣體超標，可能為電池漏液導(dǎo)致。后經(jīng)公交公司、車企、電池企業(yè)協(xié)同努力，拆箱檢查，證實為電池漏液。更換電池，不再報警。
預(yù)警實例二
2017年3月，某交運公司純電動公交4號電池箱報2級預(yù)警，駕駛員描述，第一次2級預(yù)警16年12月份，拆箱后報警消失；第二次預(yù)警17年2月份，拆箱后報警消失。本次是第三次預(yù)警。協(xié)調(diào)報警系統(tǒng)廠家、電池企業(yè)、車企協(xié)同判定，經(jīng)采集數(shù)據(jù)分析，該4號箱數(shù)值及趨勢與其它箱體完全偏離，結(jié)合以往報警及消失現(xiàn)象，初步判定為電解液漏液。拆箱檢查，證實為某只單體電池安全閥不明原因受損，電解液泄露。
預(yù)警實例三
2017年3月，某公交公司某純電動公交報7號箱2級預(yù)警，駕駛員及時上報公司，并停止運行。數(shù)據(jù)分析判定為電池危險氣體超標，可能為電池漏液導(dǎo)致。后經(jīng)車企、電池企業(yè)協(xié)同努力，拆箱檢查，證實為電池漏液。更換電池后，不再報警。
預(yù)警實例四
2017年3月20日，某交運集團縣城公交某純電動公交報3號箱2級預(yù)警，駕駛員及時上報并停止運行。數(shù)據(jù)分析判定為電池危險氣體超標，可能為電池漏液導(dǎo)致。后經(jīng)拆箱檢查，證實為兩支電芯發(fā)生不明原因泄露。
基于“鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ?rdquo;，煙臺創(chuàng)為新能源研制生產(chǎn)的CW1160系列電池箱專用自動滅火裝置系統(tǒng)，如今已廣泛使用于宇通、中通、長江汽車、上汽大通等三十余家主機廠，被CATL、中航鋰電、海四達、普萊德等近二十家電池廠標配或選裝。除了大面積安裝在新能源商用車上之外，還廣泛使用于新能源乘用車、新能源機場專用車、儲能電站/換電站、物流車等多個需求場景。
