浅析新能源汽车动力电池热失控的安全防控措施

　　2020年5月13日，由工业和信息化部启动研究的GB 18384-2020《电动汽车安全要求》GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 30381-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国家标准(以下简称“三项强标”)终于正式发布，将于2021年1月1日起正式实施。

　　在三项强标中，《电动汽车用动力蓄电池安全要求》在优化电池单体、模组安全要求的同时，重点强化了电池系统热安全、机械安全、电气安全以及功能安全要求，试验项目涵盖系统热扩散、外部火烧、机械冲击、模拟碰撞、湿热循环、振动泡水、外部短路、过温过充等。特别是标准增加了电池系统热扩散试验，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。这对新能源汽车的安全性能保障无疑会起到一个推进作用，尤其是对以载人为主的电动客车的安全保障更具有特别的意义。

　　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》，其中指出：为保障新能源汽车健康的发展，对动力电池领域，开展满足不同需求的动力电池安全试验方法标准的预研，加快动力电池电性能和循环寿命相关标准的立项，确保新能源汽车安全。可见，国家正在把建立动力电池的安全标准作为保障未来新能源汽车健康发展的重点来抓。

　　然而近来新能源汽车的安全形势不容乐观，特别是2019年新能源汽车的投诉量比2018年明显提升，成为近年投诉最多的年份。(见表1)。

　　表1：近年新能源汽车终端用户投诉量(数据来源：车质网)：

　　其中的新能源客车，在过去的几年中，我们也经常能听到起火事件，大火“瞬间”燃烧了客车、吞食了生命，从北京市蟹岛90辆新能源客车大火到湖南岳阳发布报告称两辆纯电动公交车自燃起火，再到宁波奉化6辆电动公交车起火。

　　据报道，2020年5月4日，浙江省杭州市一家客运中心的一辆新能源车在行驶过程中发生自燃；5月6日，在新疆阿克苏市的某小区，一辆电动汽车在发动机启动时前引擎盖起火；5月8日，东莞市塘厦一辆电动汽车在充电桩处充电时，突然自燃起火，并引燃周围多辆车；5月13日，就在“三项强标”发布的当天，定州街头上一辆电动车也发生自燃……

　　近来频发的电动汽车自燃事件，把新能源汽车的安全问题再次推向风口浪尖，也给新能源汽车行业敲响了警钟。

　　一、动力电池热失控是导致目前新能源汽车着火或爆炸事故的主要原因

　　据新能源汽车国家监测与管理平台统计，动力电池热失控是导致目前新能源汽车着火或爆炸事故的主要原因。也就是说新能源车自燃很大程度是因为动力电池的安全性不稳定造成的。锂离子电池都含有易燃溶剂，锂电池活泼、易燃烧是其天性，这是先天化学性质所决定的。

　　众所周知，锂离子电池主要由六部分所组成，分别是正极、铝箔、负极、铜箔、隔膜和电解液，电池内部的电解液含有大量有机物，比如说有碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯，他们都有一个共性，即自备燃爆属性。在充放电时内阻会迅速发热、甚至短路，因此充放电时热量大部分产生于内阻较大的正极，不管是磷酸铁锂电池，还是三元电池，都不能百分百避免。当这些热量聚积到一定程度就会产生火花。如此一来，电池制造商通常在电池正负极之间引入了隔膜来进行间隔，以保证安全。

　　麻烦就在于锂离子电池本身太“好动”了，其本身也暗藏着诸多刺穿隔膜的隐患，对于这个现象有个专业名词叫“枝晶”，而此现象也是源自锂离子电池的化学性质，是其天性，不可避免。

　　在使用锂离子电池的过程中，电极的表面会形成一些类似“小毛刺”一样的物体，这种小毛刺就是“枝晶”本晶了。伴随使用的频次增多，枝晶也是越来越大，最终枝晶会刺穿隔膜，从而造成短路。

　　于是，正极电位越高氧化性越强，过充则更强，引起化学反应，热失控温度降低，如果这时候BMS(电池管理系统)照顾的不够周全，就极有可能发生各类意外。

　　不仅如此，高温时材料继续分解还会自动分离出气体，起到火上浇油的效果。超薄的隔膜、可燃的电解液、永远在生长的枝晶，整个锂离子电池就像是把助燃剂和火源给凑到了一块儿，中间防护用的“保护膜”还总是有被刺破的风险，这隐患能不多吗?

　　因此，很多专家都表示，没有绝对安全的电池，只有概率上的区别。

　　目前，业内普遍认为引发新能源汽车自燃的主要诱因是电池热失控，而电池热失控的原因主要是热辐射、电池内部短路、恶劣环境滥用等。

　　据前瞻产业研究院对2017年以来新能源汽车的起火事故分析统计，起火事故的原因中，动力电池自燃占比近30%(见下图)，主要是由于锂电池发生内部或者外部短路后，短时间内电池释放出大量热量，温度急剧升高导致热失控。

　　专家认为，新能源汽车动力电池的热失控现象，除了关乎电池自身产品质量，更重要的就是安全管控。

　　二、目前动力电池热失控的具体安全防控措施

　　当前，国内在电池安全涉及热失控方面的标准，包括《电动汽车安全要求》、《电动客车安全要求》、《电动汽车用动力蓄电池安全要求》引言部分就强调了在确定电动汽车用锂离子电池单体、电池包或系统采用何种设计方案时，需遵守以下的优先次序：首先，如有可能，优先选择安全性高的材料，尽量避免使用容易出现绝缘失效、热失控或燃烧起火的材料;其次，如果无法实行以上原则，那么需制定保护措施，减少或消除危险发生的可能性。标准里也明确规定锂离子电池单体和电池系统在按照规定的测试方法进行过充放电、短路、加热、温度循环和挤压试验时，应不起火、不爆炸。

　　标准要求锂离子电池包或系统制造商可选择以下两种方式之一进行锂离子电池包或系统热扩散分析或验证。按照附录完成热扩散乘员保护分析和验证或者参照附录完成热扩散试验。在热扩散乘员保护分析与验证报告这个规范里规定：锂离子电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5分钟，应提供一个预先警告信号(服务于整车热事故报警)，提醒乘员疏散。如果热扩散不会产生导致车辆乘员危险的情况，则认为该要求得到满足。

　　目前业界控制锂离子电池热失控主要有以下措施：

　　(一)液冷方案

　　1、在单体电芯材料层面做改进。比如对正负极材料进行包覆处理，电解液添加阻燃剂，或者往固态电池方向发展等。现重点简述国内外一些公司，在控制电池热失控方面做法。

　　首先看对电芯的热管理。如特斯拉，以蛇形管贴敷导热材料，围绕圆柱电池形成液冷系统。冷却剂由50%的水和50%的乙二醇混合而成，温差能够控制在±2%以内。

　　国内动力电池老大宁德时代，则在电芯之间放置气凝胶。气凝胶兼具高效的隔热性能和超薄的厚度，可在极其有限空间中进行保温隔热，并且一定的厚度可以对热失控有较好的延缓作用。包括上汽时代也有同样的方案。

　　而通用汽车，类似于特斯拉和宁德时代的结合。他们在电芯之间放置冷却片和泡棉，使得冷却片的散热和泡棉的隔热作用同时实现。但在现有的研究范围内，泡棉主要用提高电芯的循环使用寿命，而不是热失控的延缓。

　　2、系统级的防护

　　比如以快充为特点的微宏动力，采用浸泡式冷却方法。他们给系统注入硅油，实现一定的冷却性和均热性，另外硅油本身绝缘，又隔绝氧气，使得电池系统具备很好的安全性。但有两个劣势，一是重量，二是也有产生硅油漏液的风险。

　　3、最早常用灌封胶，也可以看做是一种浸泡式方案。这一方案，在能量密度方面没有优势，因此在补贴政策鼓励能量密度的背景下，失去了市场。在补贴退出之后，灌封胶方案能否赢回一点市场，尚待观察。

　　4、老牌动力电池企业比亚迪则采用液冷板方案，能保证电池工作在正常的温度范围内。冷却板可以用钎焊、搅拌摩擦焊、埋管等几种方式。但是在外部撞击和长期振动使用环境下，如何保证不漏液也是需要考虑的。

　　以上几种都可以说采用液冷方案，需要将箱体隔热考虑进去，意义在于：一是保持系统内部温度，有利于低温充放电，延长使用寿命;二是降低高温路面热辐射对系统内部温度的影响;三是外部出现火烧或者高温时，保持电池包内正常温度，延缓电池热失控，提高安全性。

　　(二)比亚迪“刀片电池”方案

　　近日比亚迪发布的“刀片电池”，采用的是一种全新结构的“超级磷酸铁锂电池”，通过去掉电池模组，在进行创新包封装技术，具有长寿命和长续航的优点，内部短路的几率几乎为零，当然对电池热失控也能较好的控制和防范，据说暂时不用于商用车。

　　(三)智能消防预警系统及自动灭火技术方案

　　1、利用“锂离子电池热失控模型”，采用电池箱专用自动灭火装置产品，提前预警运行中的新能源汽车漏液等热失控事故。该装置已广泛应用于宇通、中通、比亚迪、金龙、中车、安凯、亚星、银隆、吉利、上汽大通等近四十家主机厂，被CATL、亿纬锂能、蒙固利、力神等近三十家电池厂标配或选装，该产品供应商目前也不多，主要有烟台创为、中汽客和上海联界等。

　　2、 “主动安全+监测预警+被动安全”的全面智慧安防闭环解决方案。其中，电池热管理系统方案让电池保持健康体温在25-35度之间，将电池温度恒定，即不发烧;预警系统可随时监测电池健康状况，自动体检并实现高准确预报;万一起火，灭火装置可以持续吸热，预警自动触发灭火系统，瞬间进行降温灭火。目前该产品已应用到宇通、金龙、比亚迪等主流客车厂，该产品的供应商目前较少，有上海哲弗等。

　　有理由相信， 通过国家三项“强标”特别是对动力电池安全要求的颁布与执行，动力电池热失控的安全防控措施会做得越来越周全，新能源汽车的安全会越来越有保障。