近日，新能源汽車發(fā)生的多起自燃事件使得公眾視線紛紛聚焦到如何保障新能源汽車安全這一話題。據(jù)公開信息顯示，
在不到2個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，某新能源汽車品牌已發(fā)生4起自燃事故。截止到8月27，國(guó)內(nèi)共已發(fā)生了35起新能源車自燃的事件，其中絕大部分都為純電動(dòng)車型，并且起火原因也五花八門，有充電時(shí)自燃，也有停車自燃、行駛途中自燃，這也讓純電車型的安全問題再次引起重視。
電池內(nèi)部遵循熱量平衡，即電池的總產(chǎn)熱量等于電池本身吸收量與和散熱量之和。鋰離子電池的溫升由產(chǎn)熱量和散熱量之間的熱平衡決定。產(chǎn)熱率呈指數(shù)變化，而散熱率呈線性變化，當(dāng)散熱率小于產(chǎn)熱率，熱量不能充分耗散時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生熱量積累，造成鋰離子電池溫度不斷升高，電池溫度的升高又加快了反應(yīng)速率，進(jìn)而使產(chǎn)熱量大幅增加，當(dāng)熱量累積到一定程度時(shí)電池溫度急劇增加，發(fā)生熱失控；當(dāng)散熱率大于產(chǎn)熱率時(shí)，電池不吸收熱量，其溫度不升高，故不會(huì)發(fā)生熱失控。為更好地理解電池?zé)崾Э兀Ｓ孟聢D表示其發(fā)生過程。
曲線 4 代表放熱反應(yīng)產(chǎn)熱率，呈指數(shù)增長(zhǎng)。三條呈線性增長(zhǎng)的直線 1、2、3 代表不同冷卻溫度下的散熱率曲線。對(duì)于鋰離子電池，曲線 4 的熱來源是其內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)熱之和。由圖可知，曲線 1 與 4 有兩個(gè)交點(diǎn)E和F。E點(diǎn)是穩(wěn)定點(diǎn)，不隨溫度的改變而改變。F點(diǎn)是非穩(wěn)定點(diǎn)，隨著溫度的降低而降低。在E、F兩點(diǎn)之間時(shí)，散熱大于產(chǎn)熱，不會(huì)出現(xiàn)熱失控。在E點(diǎn)和F點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)熱和散熱將達(dá)到熱平衡態(tài)。
具體舉例介紹如下：溫度較高時(shí)如F點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，但由于散熱大于產(chǎn)熱，溫度會(huì)不斷下降直至E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，直至達(dá)到熱平衡狀態(tài)；而溫度較低時(shí)如E點(diǎn)下方對(duì)應(yīng)的溫度，但由于產(chǎn)熱大于散熱，溫度會(huì)不斷升高至E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，直至達(dá)到熱平衡狀態(tài)。但是，在 F 點(diǎn)之上時(shí)，產(chǎn)熱率急劇增加，且散熱率遠(yuǎn)小于產(chǎn)熱率，將會(huì)出現(xiàn)熱失控。曲線2與曲線4有一個(gè)交點(diǎn) D，該點(diǎn)為臨界點(diǎn)。在該點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)熱等于散熱。高于該點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于散熱，將發(fā)生熱失控，故該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度 TNR稱為熱失控觸發(fā)溫度。曲線3與曲線4沒有任何交點(diǎn)，在此種情況下，不可能達(dá)到熱平衡的狀態(tài)。而且，此時(shí)散熱遠(yuǎn)小于產(chǎn)熱，必定會(huì)引起熱失控。
電池?zé)崾Э氐恼T導(dǎo)因素較為復(fù)雜，且鋰離子電池具有較高的溫度敏感性，非常規(guī)工作溫度會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部副反應(yīng)加劇，產(chǎn)熱增加，從而引起電池溫度升高。如果無法及時(shí)散熱，電池可能會(huì)進(jìn)入熱失控狀態(tài)。熱量的持續(xù)積累會(huì)造成鋰電池溫度的持續(xù)升高，當(dāng)溫度升高到200oC以上時(shí)，會(huì)誘發(fā)燃燒甚至爆炸等事故。
熱能傳導(dǎo)：當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，通過電池正面接觸而產(chǎn)生的側(cè)向加熱非常劇烈，導(dǎo)致被加熱電池內(nèi)部在厚度方向上溫度梯度變大，由于電池前端面溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度進(jìn)而產(chǎn)生熱擴(kuò)散。
某一電芯單體熱失控與隔膜大面積收縮造成內(nèi)部短路，這兩者可互為因果關(guān)系，最終都會(huì)造成發(fā)生熱失控的電芯能量迅速下降。在電池模塊并聯(lián)單元中，其他電芯會(huì)向發(fā)生熱失控的電芯放電，導(dǎo)致發(fā)生熱失控的 電芯溫度升高更多，同時(shí)，靠近已發(fā)生熱失控單體的電芯將比遠(yuǎn)端電芯以更大功率放電，導(dǎo)致其溫度迅速升高，從而促進(jìn)熱失控的擴(kuò)散。
某一電芯單體發(fā)生熱失控，可能會(huì)對(duì)模組機(jī)械結(jié)構(gòu)造成影響，或者其發(fā)生爆炸造成瞬間大量能量釋放，對(duì)其周邊的電芯也會(huì)造成一定程度的機(jī)械損傷，而這些機(jī)械損傷將增加其周邊電芯發(fā)生失效的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重 時(shí)可直接導(dǎo)致其周邊電芯發(fā)生熱失控。
電池發(fā)生熱失控時(shí)會(huì)噴出高溫氣體和顆粒混合物，這些氣體具有可燃性，極易發(fā)生火災(zāi)，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產(chǎn)生的火焰會(huì)加熱周圍電池，從而加速熱擴(kuò)散的進(jìn)程。
乘員安全最終是目的和出發(fā)點(diǎn)，也是最高標(biāo)準(zhǔn)前端某一環(huán)節(jié)的絕對(duì)安全，才能確保最終的乘員安全。熱失控防范具體要從一下幾個(gè)方面具體展開：電芯/電化學(xué)、模組成組、溫度的控制、電壓的控制、材料選擇、系統(tǒng)熱管理、機(jī)械電氣。確保每個(gè)環(huán)節(jié)做到安全，才能保證系統(tǒng)的安全。
針對(duì)高溫?zé)嵩匆鸬匿囯x子電池溫度過高，應(yīng)盡量減少或避免車輛在高溫條件下長(zhǎng)期行駛和放置鋰離子電池自身溫度過高，由于過充電時(shí)電池內(nèi)部產(chǎn)熱增多，造成其溫度過高，應(yīng)設(shè)置過溫預(yù)警和保護(hù)裝置，根據(jù)不同類型電池的性能和耐溫特性，設(shè)置不同溫度閾值，裝置根據(jù)監(jiān)測(cè)溫度執(zhí)行不同的報(bào)警提示或保護(hù)動(dòng)作。
根據(jù)實(shí)際情況選用風(fēng)冷、液冷和相變材料冷卻等冷卻方案使電池在穩(wěn)定的溫度區(qū)間工作
此外，通過確定上述各散熱方案能進(jìn)行有效冷卻的溫度范圍，根據(jù)情況設(shè)定不同的溫度閾值，對(duì)鋰離子電池溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到溫度達(dá)到某一閾值時(shí)啟用相應(yīng)的散熱措施，達(dá)到散熱良好和節(jié)約成本的雙重目的。
3、優(yōu)化電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電池模組的設(shè)計(jì)對(duì)電池散熱和溫度也有一定的影響。可在電池單體及模組表面加貼高導(dǎo)熱片以及改善單體之間的排列和間隙設(shè)置，使電池能夠良好地散熱，也可通過改善電池箱體用材料，如新材料：導(dǎo)熱石墨、鋁—鋰合金等，進(jìn)一步提升電池箱體的散熱性能，使其散熱良好，防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。
電池高溫條件下的溫度變化情況知，組成鋰離子電池材料的熱穩(wěn)定性是影響鋰離子電池?zé)岚踩缘闹饕蛑弧Ｌ岣卟牧戏€(wěn)定性和減少各副反應(yīng)的產(chǎn)熱量可以提高鋰離子電池的熱安全性。
通過對(duì)過充電熱失控仿真知，鋰離子電池過充電尤其是大電流過充時(shí)，將發(fā)生熱失控的危險(xiǎn)。
鋰離子電池尤其是高能量密度、大容量的三元鋰離子電池，一旦著火，火勢(shì)迅速蔓延，情形十分嚴(yán)峻。實(shí)際應(yīng)用中，因各種因素的影響，鋰離子電池濫用的情況難以完全避免。為了進(jìn)一步減少熱失控的傷害，要做到預(yù)防為主、防患于未然。因此，對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐那闆r設(shè)置防護(hù)預(yù)警機(jī)制顯得尤為重要。
解決熱失控問題需要從多尺度、多學(xué)科的角度出發(fā)，綜合考慮材料、單體、系統(tǒng)等不同的熱安全策略，主要涉及新電化學(xué)體系、材料體系的開發(fā)、單體安全設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)控溫技術(shù)等，旨在抑制副反應(yīng)、減少產(chǎn)熱量、提高散熱能力以及阻止熱害擴(kuò)散等。安全材料體系開發(fā)是解決熱失控問題的根源，但就目前而言，安全的材料體系在短期內(nèi)依然無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，因此，應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展更加有效的電池設(shè)計(jì)、熱管理方法來確保鋰離子電池的熱安全性。
熱失控的分析流程可從電池單體仿真、模組/電池包仿真、電池包測(cè)試和驗(yàn)證，通過測(cè)試對(duì)仿真的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。動(dòng)力電池?zé)岱抡嫔婕暗诫?化學(xué)仿真、電池?zé)峁芾矸抡妗⑾到y(tǒng)級(jí)熱管理仿真。
4、動(dòng)力電池PACK仿真分析
由于篇幅的原因，新能源汽車熱失控仿真分析筆者不再贅述。但是筆者先前在技術(shù)鄰平臺(tái)發(fā)布原創(chuàng)精品課《新能源汽車PACK熱流體仿真進(jìn)階20講》和《新能源動(dòng)力電池?zé)峁芾?/a>設(shè)計(jì)入門到進(jìn)階23講》已經(jīng)更新完結(jié)，感興趣的朋友可以訂閱。
