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詳解動力鋰電池燃燒原因及熱失控防范措施

鉅大LARGE  |  點擊量:1755次  |  2021年05月27日  

著火、爆炸是動力鋰電池系統(tǒng)較為常見的熱失控危害表現,造成的影響,也更為嚴重,不但會造成財產損失和環(huán)境破壞,甚至會造成人身傷害或生命危險。


熱失控誘因


導致動力鋰電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的可能原因有:


1、動力鋰電池(電芯)的放熱副反應導致熱失控,引燃電解液和其他可燃物質;


2、動力鋰電池系統(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,引燃動力鋰電池系統(tǒng)內部的可燃物質;

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3、動力鋰電池系統(tǒng)外部發(fā)生燃燒,導致動力鋰電池系統(tǒng)內部溫度持續(xù)上升,達到著火點溫度,引燃內部的可燃物質。


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,危險系數也較高,電芯的放熱副反應導致熱失控是動力鋰電池系統(tǒng)發(fā)生燃燒或爆炸的重要原因。


鋰離子電池內部重要放熱反應有:


1、ESI膜的分解,溫度范圍是90~120℃;


2、負極與電解液的反應,溫度達到120℃以上;

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3、電解液分解,溫度大概在200℃左右;


4、正極與電解液的反應,伴隨正極分解析出氧氣,溫度范圍在180~500℃;


5、負極與粘結劑的反應,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部的放熱副反應導致熱量累積,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。


電芯內部的熱過程遵循能量守恒:Qp=Qe+Qa


公式中Qp為電芯內部各種負反應所出現的熱量,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。假如QeQp則Qa為為負值或零,電芯內部溫度不會上升,不會出現熱失控;假如Qe<Qpq為,電芯內部溫度會持續(xù)上升,直至達到熱失控溫度200~300℃。


從上面的分析可以看出,假如不能阻斷電芯內部的放熱副反應,電信內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新增PTC材料;


降低放熱副反應所出現的熱量,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,防止熱積累,如采用高效的液冷設計方法,也有個別方法將整個電池,浸在冷卻液中。


以上,所總結的熱失控機理與防范措施,在電池全系電池設計、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特性,其電芯熱失控機理存在不同,不同的系統(tǒng)設計也會導致系統(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、應用最廣泛的防范措施就是熱失控監(jiān)測與預警技術。


煙臺創(chuàng)為新能源鋰離子電池熱失控模型技術的出現,開拓了電池箱熱失控監(jiān)測及自動滅火技術的規(guī)模化應用時代,創(chuàng)領了電池箱專用自動滅火裝置行業(yè)的興起和發(fā)展。


鋰離子電池熱失控模型分為縱向、橫向和垂向三維??v向為多傳感器的數據冗合,即對多組同環(huán)境下的傳感器數據進行多次擬合,模擬不同材料、不同環(huán)境的數據表征曲線;橫向為對傳感器的歷史數據進行持續(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鋰電池熱失控過程。


通過三維融合,用數學手段,以大量實驗及真實運行數據為基礎,歸納熱失控導致的各種變量之間的內在關系,采用神經學原理,形成極早、高可靠、自運行的鋰離子電池熱失控模型,實現電池活在隱患的早期預警和智能控制。


大量實車運行中發(fā)生的預警實例證明了此模型的有效性和先進性,使之成為當前電池箱熱失控預警及自動滅火的核心技術。


預警實例一


2017年三月,某公交公司3路純電動公交3號電池箱報2級預警(安全隱患等級),駕駛員及時上報公司,并停止運行。采集數據分析,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,可能為電池漏液導致。后經公交公司、車企、電池公司協(xié)同努力,拆箱檢查,證實為電池漏液。更換電池,不再報警。


預警實例二


2017年三月,某交運公司純電動公交4號電池箱報2級預警,駕駛員描述,第一次2級預警16年十二月份,拆箱后報警消失;第二次預警17年二月份,拆箱后報警消失。本次是第三次預警。協(xié)調報警系統(tǒng)廠家、電池公司、車企協(xié)同判定,經采集數據分析,該4號箱數值及趨勢與其它箱體完全偏離,結合以往報警及消失現象,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。


預警實例三


2017年三月,某公交公司某純電動公交報7號箱2級預警,駕駛員及時上報公司,并停止運行。數據分析判定為電池危險氣體超標,可能為電池漏液導致。后經車企、電池公司協(xié)同努力,拆箱檢查,證實為電池漏液。更換電池后,不再報警。


預警實例四


2017年三月二十日,某交運集團縣城公交某純電動公交報3號箱2級預警,駕駛員及時上報并停止運行。數據分析判定為電池危險氣體超標,可能為電池漏液導致。后經拆箱檢查,證實為兩支電芯發(fā)生不明原因泄露。


基于鋰離子電池熱失控模型,煙臺創(chuàng)為新能源研制生產的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。


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