浅析纯电动公交客车动力电池的燃烧风险与控制

　　近日，国家发改委、工信部等23个部门在《关于促进消费扩容提质加快形成强大国内市场的实施意见》中提出，要落实好现行中央财政新能源汽车推广应用补贴政策和基础设施建设奖补政策，推动各地区按规定将地方资金支持范围从购置环节向运营环节转变，重点支持用于城市新能源公交客车，着重强调要杜绝纯电动公交车辆运营中重大火灾安全事故的发生，让新能源公交步入健康的发展轨道。

　　2020年4月16日，工信部发布《2020年新能源汽车标准化工作要点》，其中提出在动力电池领域，要开展满足不同需求的动力电池安全试验方法标准的预研。

　　近期业内专家也表示，动力电池的安全决定着纯电动汽车的未来。近年频发的新能源汽车起火事故说明，必须加强动力电池燃烧风险的控制，这也是纯电动公交客车行业目前的当务之急。

　　对于公交公司而言，疫情使得公交市场蒙受了巨大损失，因此疫后必须确保电动公交客车运营过程中不再发生电池燃烧导致整车起火的重大安全事故，将疫情造成的损失降到最低。

　　一、 锂离子电池浅析

　　锂离子液态电池目前占据了纯电动客车市场的主导地位，按照正极材料划分，市场上常见的锂电池基本分为4类，其中磷酸铁锂电池的热稳定性最好，锰酸锂电池次优，三元锂LiNiCoMnO2电池略差，而钴酸锂电池最差，电池性能比较见表1。

　　表1：主流锂离子电池性能比较

　　专家对磷酸铁锂电池和钴酸锂电池进行了比较，两种电池在烤箱中分别加热到180℃和220℃，结果显示磷酸铁锂电池的热稳定性明显比三元锂电池更稳定、更安全。

　　目前磷酸铁锂电池由于体积问题，主要用纯电动公交市场的大中型客车，能量密度高达180 W·h/kg，相对三元锂电池更安全。

　　二、纯电动公交客车锂电池本体中的燃烧机理浅析

　　1、热失控及热扩散导致燃烧

　　锂离子电池发生的起火燃烧事故，主要是电动公交不合理的使用，造成电池化学能量瞬间转换成热能，导致电池内部热失控和热失控扩散，使电解液的有机溶剂在大量热的作用下分解并蒸发，可形成易燃性混合物，遇火源引起整车燃烧爆炸。

　　2、热失控及热扩散

　　热失控就是保护电池稳定的热管理系统因设计缺陷等原因失灵，导致电池过热发生自燃。具体的说，热失控指的是单体蓄电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化的过热、起火、爆炸现象。热失控扩展,指的是蓄电池包或系统内部的单体蓄电池或单体蓄电池单元热失控，并触发该蓄电池系统中相邻或其他部位蓄电池的热失控现象。

　　3、电解液泄漏有毒气体

　　纯电动公交车辆使用过程中，因各种原因，电池包可能发生电解液泄漏。电解液容易挥发，还有腐蚀性，与空气混合后生成有毒、刺激性气体(表2)，对环境造成污染，对人体会造成伤害。

　　表2

　　二、 控制纯电动公交客车动力电池燃烧风险的措施

　　锂离子电池本体安全性提升的主体责任在于电池厂商，但是涉及电池以外部分的责任在于客车厂商，涉及电池厂商、客车厂商的设计、生产各环节，包括以下几方面：

　　1 、电池内材料和工艺环节

　　(1)正极和负极材料的改性主要包括极片表面包覆和材料配方改进两大方面。

　　(2)对电极形状的改进。

　　(3)对高安全性电解液的改进，包括新型锂盐的研发、溶剂改性以及添加电解液添加剂。

　　(4)研制高强度的无机隔膜或智能隔膜，以替代目前的有机隔膜材料。

　　(5)热失控初期电池内气体压力增大，达到某个限值时将气体排放出去，防止燃烧。

　　(6)保证各个电池一致性，对电池进行分组，便于BMS管理。

　　2、电池包结构与安全设计

　　结构安全设计包含电池内部结构优化、热传播阻断设计(阻燃复合材料的使用)，排放阀的排泄通道设计(目前国内市场上主要是防爆阀，不能完全隔离水汽进入电池包)、PTC及熔断器设计等。

　　电池包内部布置时，必须进行电气布局优化设计，减少插接件的数量和不合理的线束走向，让整体的布局更加紧凑。常用的热传播阻断技术有模组间的隔热设计，在模组之间增加隔热零件，目前特斯拉汽车采用电池组之间增加云母片进行隔火。

　　增加电路熔断保护设计。为防止主回路过载发热和短路危险，在产品设计中采用了在主回路中安置主熔断器、主继电器、模组过流保护、电池过流保护和过流分级防护技术。为防止因电池包浸水和采集回路(对每一个单体电池或电池组的电压进行检测的低压电路)导线及连接器失效，造成的短路对电压采集回路有伤害，在电压采集线电源端设置采集线路过流防护熔断器，对系统内所有电压采集回路进行保护。

　　目前电池厂商多数通过监控电压来判定电池热失控，有的厂商也通过温度来判断。但目前多数厂商趋向于在电池包内安装专用的压力传感器模块，单个或多个电池向外热失控时向外排放气体后，电池包内压力达到设定值时BMS系统综合判定后开始报警。

　　采用主动安全技术的防爆设计。若电池发生机械碰撞及过充电的滥用情况电池内部发生热失控时，大量高压气体封闭在电池内部，电池布局时设法让电池向指定的安全方向排放气体，杜绝了危险的进一步扩大。

　　采用主动安全技术的主动灭火装置。火灾探测装置决定灭火装置能否适时启动、及时灭火、主动喷射惰性气体或制冷剂来冷却电池，目前主要在大型客车及公交车上推广，在小型电动乘用车上还没有应用。

　　3、BMS热管理控制环节

　　热管理控制技术，可以防止预防热失控的发生，在热失控初期减缓它，抑制热失控扩展。

　　热管理控制技术属于BMS功能的一部分，它可以通过对每一单体电池组实施监控，若发现单体电池温度过高，则实时反馈，并及时切断该电池的外部电路、启动电池组冷却系统和灭火系统。热管理技术可以尽量使各电池组在最佳的温度范围内工作，防止热失控发生和扩展、及时发出电压和温度监测报警等。

　　BMS在充电过程中，根据每台车辆上电池状态的变化情况自动给出最佳的充电方案，并将信息反馈给充电桩，实施最佳的充电方案。虽然在电池厂商在组装时，会对电池按照差异最小化的原则进行电池分组，但随着车辆使用时间增长个体电池的性能会逐渐出现差异，BMS的充电策略对于实施个体电池精确的控制越来越困难，可能会造成电池过充。

　　在采用快充电方案时，BMS系统可以根据电量、温度信息，灵活调节充电速度，总体原则上先快后慢。从BMS角度来看，热失控发生之后，它无法消除这个风险，但要求它至少能提前5 min发出警报，给乘客的逃生赢得时间。

　　4、杜绝纯电动公交车上电池燃烧的9类诱因

　　1)杜绝车辆频繁急加速急减速：在大电流充放电时由于内电阻的存在，或者外部电路短路，都将引起正负极迅速发热，这些热量就发生电池燃烧的诱因。为此车辆在使用过程中要避免频繁急加速或急减速，它会导致电池输出或输入大电流。

　　2)杜绝过充电：电池充满之后，在负极端的锂原子会达到饱和状态。继续充电时导致正极材料损失太多锂原子，层状晶格结构的突然各向异性收缩高达5%(即“晶格坍塌”)，电池容量永久性降低。负极上镶嵌满锂离子之后，过充电时多余锂离子在表面继续沉积，形成树枝状结晶，即锂枝晶。继续充电，锂枝晶最后会击穿隔膜，发生短路。

　　3)杜绝过放电：过放电时,过多的锂离子从负极通过电解液和隔膜转移到正极，负极石墨电极的层状结构失去了支撑坍塌，再充电时不能再镶嵌进锂离子，造成电池容量永久性下降。

　　4 )杜绝锂离子电池内部故障

　　锂离子电池内部故障：生产制造过程中电解液分布不均匀、电极上毛刺、材料中金属杂质、隔膜破损或表面粉尘物理因素，都可能会引起电池内部短路。

　　5)杜绝整车电气故障

　　整车上与电池相连的高压电路中，各种线束和电器元件、插头部件失效，都可能导致电池热失控。车辆使用过程中，插接件的端子因为浸水、松动、老化等原因造成接触不良，或者由于车辆上其它电器的故障，导致电池包外部电路短路，如果熔断机制未发挥作用，大电流急剧放电会诱发电池包的热失控。

　　6)杜绝机械伤害

　　电动公交在行驶中可能与其它车辆发生碰撞，如果放置锂离子电池的区域发生变形，电池包壳体可能变破裂，引起包内电池也相互挤压变形，甚至破裂，就会引起热失控。在车辆的行驶中，除车辆撞击外，还有底盘刮擦、电池包固定件松脱等意外情况，引起电池包的跌落、挤压，或者出现裂纹，壳体产生形变，导致单体电池挤压破裂，出现漏液或内部短路，最终诱发热失控。

　　7)杜绝外部水入侵

　　由于公交车辆使用环境很复杂，在使用过程中有可能遇到暴雨导致车辆泡水，或者通过深水坑，这种水有弱酸性且有大量杂质，如果进入电气接插件内，它的插接端子间可能短路或发生腐蚀，引起整个电路异常发热，或者燃烧。

　　电池包的密封等级一般为IP67，理论上可浸泡半小时以上的时间。日常生活中车辆在道路上涉水，或车辆短时间浸水等情况下，一般不会超过30 min，没有问题。如果车辆长时间浸泡在水中，或者电池包的密封性不合格，水也会通过接缝或者插头进入电池包内部。车辆长时间使用之后，电池包的密封材料就慢慢老化，也容易进水。

　　8)避免低温和高温充电

　　低温环境充电：低温时电池容量会降低，大电流充电时材料会加速老化，而且会产生锂枝晶，容易热失控。

　　高温环境用电：锂电池的工作温度范围一般在-20℃至60℃之间。当环境温度超过60℃时，高温叠加电池工作热量，可能诱发热失控。

　　电控液冷保温：相对于风冷却的电池包，电控液冷系统通常与座舱空调系统联合在一起形成复杂的温控系统，冷却液进入电池包内部，并用电控技术控制冷却液的温度和流动。在极端环境温度下，它可以使电池保持在最佳工作温度区间，即10℃～35℃之间，发挥最佳的电池效能，并获得最长的寿命。

　　9)避免外部火源

　　总之，控制纯电动公交客车电池的燃烧风险，是客车企业、电池配套商及公交公司共同的责任，是行业的燃眉之急，否则就谈不上新能源公交行业的健康发展。