鉅大LARGE | 點擊量：484次 | 2022年10月09日
分析動力鋰電池4類熱失控原因
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、內短路、碰撞等是引發動力電池熱失控的幾個關鍵因素。
(1)過熱觸發熱失控
導致動力電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設計的不合理，或者外短路導致電池的溫度升高、電纜的接頭松動等，應該從電池設計和電池管理兩個方面來解決。
從電池材料設計角度，可以開發來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應；從電池管理角度，可以預測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級，從而進行分級報警。
(2)過充電觸發熱失控
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
今年的一起純電動大巴起火事件原因就在于“過充電觸發的熱失控”，具體則是電池管理系統本身對過充電的電路安全功能缺失，導致電池的BMS已經失控卻還在充電導致的。
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，比如說沒有監控每一節電池的電壓。
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，可以根據充電曲線的相似性來進行全體電池組狀態的估計。
也即是說，只要知道了其中一個單體電池的充電曲線，其他的曲線應該跟它是相似的。經過曲線變化，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，當然這種算法的時間過長，需要進行簡化。
(3)內短路觸發熱失控
波音787客機曾因電池爆炸起火。在查找事故原因時，發現電極和隔膜上有金屬物，產生了內短路。雖然專家無法100%確認熱失控是由內短路觸發的，但它是最可能的原因，因為找不到其他原因，且內短路沒辦法“浮現”。
電池制造雜質、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內短路。這種內短路是緩慢發生的，時間非常長，而且不知道它什么時候會出現熱失控。若進行試驗，無法重復驗證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復由雜質引起的內短路的過程，都在研究當中。
要解決內短路問題，首先要找到產品品質好的電池廠商，選擇電池及電池單體容量；其次對內短路進行安全預測，在沒有發生熱失控之前，要找到有內短路的單體。
這意味著必須要找到單體的特征參數，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內阻也是不一致的，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發生了變化。可以針對這些參數來進行研究，看其在內短路變化中的一些特征。
其中特征之一就是內短路單體的電勢差，比較其內阻跟其他單體的差異。歐陽明高提出，研發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，利用這些數據再結合模型，就可以把每個單體的內阻預估出來。再把單體的參數全部預估出來后，根據參數的變化，便可以判斷其一致性是否發生了顯著性變化。
(4)機械觸發熱失控
碰撞是典型的機械觸發熱失控的一種方式。特斯拉屢次發生起火事故就是這個原因。歐陽明高透露，清華大學跟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。
解決碰撞觸發熱失控的辦法就是做好電池的安全保護設計。而這需要研發人員先了解熱失控的發生過程。
一般而言，熱失控發生之后，會往下傳播。比如第一節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、化學能電能的產熱、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的定量分析。
有了傳播模型，研發人員可以設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，研發人員要從安全保護設計和電池管理兩個方面著手。
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