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带你科学正确了解锂电池热失控原理

时间:  2019-10-16 10:59  来源:  绿芯之友   作者:  网络转载

2019年以来,中国车市仿佛进入寒冬,销量惨淡。然而与传统车市的“寒冷”相比,新能源车似乎仍然火热,不止是销量火,而且还真的会着火哦!

粗略统计了一下,自1月份以来,中国一共发生了28起新能源车自燃事故。虽然电动车自燃概率小于传统燃油车,但是越来越多的自燃事件不断挑战着消费者的信心。

到底是什么原因造成电动汽车频繁‘上火’?

就像没有两片完全一样的叶子,电动汽车起火的原因也是各不相同,主要有4类:

01 机械滥用:比如碰撞、挤压、穿刺;

02 电气滥用:过充电、过放电、低温下大电流充电、短路等;

03 生产缺陷:电芯在生产时导致的缺陷,如内部留有毛刺或者杂质;

04 环境因素:电池包工作在高温环境等种种因素都有可能引发电池热失控,进而起火燃烧。

然而这些都是引发起火的表象,最终原因都可归纳为一个,那就是热。对,没错,准确的讲是热失控

电池热失控释放的能量有多少?

以100Ah的三元锂电芯为例,一个电芯存储的电能为:

100Ah*3.7V*3600s=1332kJ

同时,热失控时还会存在副反应释放能量。根据Paul T. Coman[1]等人的论文显示,一个100%SOC的电芯热失控释放的总能量中有42%来自电能转化而来,电能转化热能效率约28%,其他大多来自内部材料的分解等副反应。由此可知一个电芯热失控后释放的总能量为:

1332kJ*28%/42%=888kJ

作为对比,1gTNT炸药的能量为4184J。简单计算可知,一个100Ah的电芯热失控后释放的总能量相当于212gTNT当量

而且随着对续航里程的要求越来越远,电池能量密度也越来越高。但是鱼和熊掌不可兼得,过高的能量密度,也带来了更高的安全防护压力

但电池热失控真的像炸药一样危险?

当然不是!能量释放所产生的威力,不仅跟总能量有关,能量释放速度也至关重要。

就好比核能。核弹能在极短时间内释放出巨大能量,非常危险。但如果控制核能在可控的状态下安静平稳的释放能量,例如用在核能发电站,反而能造福人类。

与TNT爆炸相比,电池热失控时释放能量时间级数相差了10000倍左右,不至于产生和爆炸一样的冲击效果,对人的伤害远没有想象中的那么大

为了更好的理解这个热失控能量释放的过程,这里必须要介绍一个公式——Arrhenius方程。当其他参数不变时,温度越高,反应速率越大。

如上图所示在不考虑反应物质浓度的情况下,当温度升高到一定程度(图示的设置超过300℃)后,反应速率k会急剧增大。而反应生成的热量又会进一步提高电池的温度,如此反复迭代,则使得所有能量在短时间内(一般在半分钟以内)释放。

换句话说,想要避免热失控,降低能量释放速率,控制温度至关重要。

热失控该如何防护?

好的系统设计可以在保证能量密度的前提下,延缓或者阻断热失控的扩散减少释放热量降低能量释放速率而不理想的系统设计则会加剧热失控带来的危害。

目前整车厂对热失控的防护主要体现在以下两方面:

01 主动防护设计  类似我们熟知的AEB(自动刹车辅助系统)和车道偏离预警。主动提前采取措施或预警,避免电池进入失控状态;

1、电滥用预防:电池管理系统(BMS)实时监控每一颗电芯状态,并给出最合理的充放电策略,确保电池在全生命周期内不会出现过充、过放、过温、过流或短路等电滥用工况。

2、机械滥用防护:电池包的结构安全设计保证在经受高速碰撞、挤压甚至穿刺后依然能够保持结构安全强度,避免外界机械滥用触发电芯热失控。

3、热滥用防护:结合整车的系统需求,通过电池包的热管理优化设计,确保电池电芯在合理温度范围内。及时释放电池包内堆积的热量,可以极大降低过热导致热失控的风险。

4、热失控预警:一旦发生热失控,为客户及时提供报警,以便尽快撤离。

02 被动防护设计  热失控发生之后,抑制火焰,控制温度,延缓其他电芯热失控的传播,降低能量释放量和释放速度,保护乘客舱安全。

1、电芯层面

通过添加剂降低电芯材料热失控释放能量,其实就是降低了上述Arrhenius方程中的Ea反应物活化能。

或者使用更加稳定的电化学体系;提高制造工艺水平,降低缺陷产品的概率,提高电芯一致性。

2、系统结构层面

使用高强度的材料,尤其是高温下拥有很高的耐冲击强度的材料作为防护措施;

使用高温下结构稳定绝缘性好的材料,防止包内高压回路在热失控后短路。

3、热阻隔

识别蔓延中的主要热量传导路径,再通过热设计阻隔不合理的传热路径,引导强化合理的热传递路径。从而阻止热失控在电芯间的热蔓延。做到因势利导,制人而不制于人。

近2年,国家和汽车行业在不断推进完善热失控防护相关的标准法规和设计指南,新国标要求新能源汽车必须能够提供不少于5分钟的预警时间供乘客撤离。

而上汽新能源的内部标准会更加严格,确保乘客出行安全。首先通过前文介绍的主动防护设计防患于未然,为天生娇气的电池提供优渥的生活环境,避免“它”动不动生气的爆发。

其次通过系统级别高强度材料和隔热材料的“堵”和合理的热“疏”导,保证乘客的安全。最后准确的热失控预警,为乘客及时提供报警,以便迅速安全撤离。

从宏观整体来说,热失控依旧是小概率事件。作为车主和乘客,只要在整车起火之前能够迅速撤离,人身安全还是有保障的,国家、汽车行业和整车厂也都在全力维护用户安全。科学正确的认识热失控,不要再闻“火”色变啦!
 



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