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[电池材料] 电动汽车锂离子电池燃烧风险与控制

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发表于 2020-4-7 10:02:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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电动汽车锂离子电池燃烧风险与控制

王雄 鲍建勇 王新
(神龙汽车有限公司技术质量部,武汉市 430056)
【摘要】 针对电动汽车上锂离子动力电池的化学能量释放出现电池燃烧和电解液泄漏,导致有毒气体、整车燃烧或爆炸的问题,介绍了该问题的市场现状、标准法规要求,同时分析了热失控和热失控扩展的机理,以及导致热失控的各种诱因,并进一步分析了从电池设计、整车开发、车辆使用到安防等环节的各种风险因数,以及对应的风险控制方案。
主题词: 电动汽车 锂离子电池 燃烧 风险

目前在国内汽车市场上电动汽车发展迅猛,它所采用的动力电池绝大部分是锂离子电池,锂电池技术发展迅速,性价比快速提升。但随着电动汽车在社会上大批量投入使用,也遇到了一些问题,比如少量的电动汽车因为各种原因出现了锂电池起火,进而导致整车燃烧问题,或锂电池破裂导致有毒的电解液泄漏到空气中的问题。锂离子动力电池的起火燃烧风险,来自于电池的化学能在高温下瞬间释放(高压电击不在本文讨论的范围),表现为:电池的热失控和热扩散引起整车燃烧或爆炸、或者电解液泄漏有毒气体。本文系统的介绍了这个问题的各个风险环节,并提出对应的风险控制措施。


2 电动汽车燃烧事故的现状与法规要求

国家新能源汽车监管平台近年来一直在监控新能源汽车安全事故,新能源汽车国家大数据联盟在2019年08月发布的《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》显示[1]:2019年5月起3个月之内共发现79起安全事故,涉及96台车,情况很严重。已查明着火原因主要是电池自燃、车辆碰撞、车辆浸水、车辆不合理使用问题,它们导致了锂离子热失控。事故车辆中磷酸铁锂电池占比7%左右、三元锂离电池占比86%左右,剩余车辆电池不明。

与电动汽车的总体销售数量对比来看,车辆燃烧和电解液泄漏的比例并不大,但是引起了广大用户的严重担心,也影响了车辆销售。

目前涉及动力电池安全的标准有GB/T 31484—2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》、GB/T 31485—2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》和GB/T 31467.3—2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》。其中GB/T 31485—2015[2]对于电池包的过充电、过放电、外部短路、跌落、外部加热、挤压、针刺、海水浸泡、温度循环、低气压10个方面做出了严格要求。国家标准GBXXXX《电动汽车用动力蓄电池安全要求》已经进入报批阶段[3],它将作为强制性法规正式发布,预计在2020年代替上述标准GB/T 31485—2015和GB/T 31467.3—2015,对于电池包的安全要求加严了,表1列出了涉及电池安全的相关标准。

表1 电动汽车中涉及电池安全的相关标准
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目前我国涉及动力电池安全的整车标准法规有5项,见表 1,其中 GB/T 31498[4]、以及 GB/T 18384.3[5]是核心的内容。新标准GB XXXX《电动汽车安全要求》,将代替GB/T 18384《电动汽车安全要求》,也准备作为强制性法规发布执行。

[size=1em]在地方标准中,上海地标DB 31/T634—2012《电动乘用车运行安全和维护保障技术规范》[6]在涉水深度以及试验工况都要严于国标要求,目前也正在修订过程中。

[size=1em]在国际标准中,IEC 62133-2:2017《含碱性或其它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组便携式密封蓄电池和蓄电池组的安全性要求》[7]、国际标准IEC 62660-3:2016《电动道路车辆用二次锂离子电池第3部分:安全要求》[8],它们适用于锂离子电池的安全要求。ISO 26262:2018《道路车辆功能安全》[9]、ISO 6469:2018《电动道路车辆安全规范》[10],均涉及电动汽车的整车安全性。


3 锂离子电池的初步分析

[size=1em]锂离子液态电池目前占据了动力电池市场的主导地位,主流锂离子液态电池结构的主要组成材料如表2。

表2 主流锂离子动力电池材料
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图1是锂电池的内部示意图。

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图1 锂电池内部示意

[size=1em]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3。磷酸铁锂电池循环寿命长、毒副作用小、成本低廉、充放电倍率大、高温稳定性好,但一致性不好,能量密度低,在电动大巴车上使用较多。锰酸锂电池成本低,毒害性较低,但热稳定性差,循环寿命短,应用较少。三元锂(LiMn2O4)电池能量密度高,但大功率充放电后温度升高,高温时释放氧气,热稳定性较差,寿命较短,多用于空间有限的电动乘用车上。钴酸锂电池热稳定性最差,它的正极在高温时容易分解,加速热失控,但能量密度高,续航更出色,特斯拉汽车采用了这种电池。主流锂离子电池性能对比见表3。

表3 主流锂离子电池性能比较
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Peter J.Bugryni对磷酸铁锂电池和钴酸锂电池进行了比较[11],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。

在目前国内电动汽车市场上,磷酸铁锂电池由于体积问题,主要用于大型和中型客车,能量密度高达180 W·h/kg,相对三元锂电池安全一点。小型乘用电动汽车锂离子电池能量密度较高,主要装配液态三元锂电池,能量密度高达270 W·h/kg,但它的热稳定性较差,电解液在200℃以上的容易燃烧,它的镍、钴、锂配比从3:3:3、5:2:3到8:1:1的不断变化,虽然能量密度一步步的提高,但它的热稳定性却在降低。

从理论上看,全固态锂离子电池没有液态电解液,也就没有液态电解液分解燃烧的风险,丰田中央研发实验室试验显示[12]:在同等条件下,全固态电池产热量只有锂离子电池的25~30%,安全性显著提高,但放热量依然存在,还无法做到绝对安全。目前液态锂离子电池是主流,未来主流则是全固态锂离子电池。


4 锂电池本体的燃烧机理及解决措施
4.1 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,主要是电动汽车不合理的使用,造成电池化学能量瞬间转换成热能,造成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。

4.1.1 热失控

热失控(Thermal runaway)是指由于锂离子液态电池在外部高温、内部短路,电池包进水或者电池在大电流充放电各种外部和内部诱因的作用下,导致电池内部的正、负极自身发热,或者直接短路,触发“热引发”,热量无法扩散,温度逐步上升,电池中负极表面的SEI(Solid Electrolyte Interface)膜、电解液、正负极等在高温下发生一系列热失控反应(热分解)。直到某一温度点,温度和内部压力急剧增加,电池的能量在瞬间转换成热能,形成单个电池燃烧或爆炸。

引起单个电池热失控的因数很多、很复杂,但电流过大或温度过高导致的热失控占多数,下面重点介绍这种热失控的机理。

以锂离子电池为例,温度达到90℃时,负极表面SEI膜开始分解。温度再次升高后,正负极之间的隔膜(PP或PE)遇高温收缩分解,正、负极直接接触,短路引起大量的热量和火花,导致温度进一步升高。

热失控时,230℃~250℃的高温导致电解液几乎完全蒸发、分解了。它含有大量易燃、易爆的有机溶剂,逐步受到热失控的影响,最终分解发生燃烧,是热失控的重要原因。电解液在燃烧同时,产生一氧化碳等有毒气体,也是重大的安全隐患。电解液如果泄漏,在外部空气中形成比重较大的蒸汽,容易在较低位置大范围扩散,这种扩散范围极易遇火源引起安全事故。

在正常的充、放电过程中,正极脱出微量的游离氧与碳负极反应也会生成少量的易燃气体CO,在正常温度时它们不会助燃。正极氧化物由于短路造成的高温下会发生分解反应,会产生游离状态氧。这一些游离氧和CO在高温下会与电解液蒸汽一起发生燃烧,形成恶性循环。

清华大学对此进行了专项研究,图2是他们的研究成果[13],它指明了热失控各阶段材料的变化情况。

清华大学的研究显示:正极中含镍越多则热稳定性越差,碳素材料的负极在寿命的前期较稳定,但是寿命衰减后变差。这从侧面说明三元锂电池的高镍比例,虽然容量更大,但会导致更大的热失控风险。

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图2 热失控随温度的变化过程[13]

4.1.2 热失控扩散

热失控扩散指的是在电池包内部,个别电池热失控后,热量通过热传导和对流、辐射的方式迅速向周围电池扩散,此时散热装置无法排除热量,热失控扩展到周围电池,引起连锁反应,电池表面温度达到650~1 000℃,使电池包进一步燃烧。此时电池包卸压阀门打开,火焰和浓烟扩展到电池包外部,此时在车外可能看到浓烟,进一步引燃车辆上电池周围的可燃物,最终导致整车起火燃烧的现象。

从上述分析可以看出,电池内部就具备燃烧3要素,即可燃物、氧气和火源。发生燃烧时,通常可采用喷水灭火,也可以采用干粉灭火器、二氧化碳灭火器灭火,砂土也是安全的灭火工具,最实用的灭火剂还是大量的水,它可以快速给电池包降温。

为了延缓整车燃烧的速度,给乘员足够的逃生时间,强制性法规GB 8410—2006《汽车内饰材料的燃烧特性》[14]对于座舱内饰材料的阻燃特性有严格的要求,所有汽车厂商必须严格执行。


4.2 电解液泄漏有毒气体

车辆使用过程中,因各种原因,电池包可能发生电解液泄漏,泄漏前期不一定有热失控发生,不易觉察。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,对空气和水造成严重污染,对人体器官会造成伤害,长期接触易引起头痛、头晕、身体虚弱、恶心等。

锂离子电池电解液蒸汽对眼、皮肤、消化道和呼吸道有明显的刺激性影响。皮肤接触电解液后,它会灼伤皮肤,要立即用大量清水冲洗皮肤。如果口腔和鼻子吸入的电解液,应迅速来到空气新鲜的地方,呼吸新鲜空气,必要时进行人工呼吸,严重时送医院。如果不小心有电解液溅入眼睛内,马上用大量清水冲洗眼睛,稀释电解液,减轻对眼睛的伤害,严重者应该在冲洗后立即就医[15]。

表4是一些常见有害气体的伤害限值[16]。

表4 常见有害气体的伤害限值
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4.3 消除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整车厂商,涉及电池厂商、整车厂商的设计、生产各环节,包括以下几个方面:

[size=1em]内部和外部的机械设计:电池内部固定单体电池的支架的强度和刚度,内部定向泄压、电池与壳体内表面最小间隙,壳体密封性,整车上固定电池包的牢固性,整车碰撞变形时的安全距离。

[size=1em]优化动力电池管理系统(BMS)安全策略:充放电策略,过充电保护,过放电保护,过电流保护,温度和湿度监控,高温和低温极限保护、内部压力监控、发生机械碰撞时断电保护等。

[size=1em]内部电气设计安全:电池组、BMS硬件、液冷管路的布局,电线连接的可靠性,绝缘等级,等电位设计,最小电气间隙。

[size=1em]外部电气设计安全:电气零件的高IP密封防护等级,高低压自锁与互锁,高低压系统隔离,电磁兼容(EMC)和电磁辐射(EMR),整车绝缘电阻监控与报警,手动维修开关,安全警示标签,外部主动灭火装置。

[size=1em]电池厂、整车厂和售后维修部门的工艺安全:电池包装运输,进货检验,作业现场环境规范化,标准作业指导书,中间过程检查,返修监控,出厂检验。

[size=1em]目前,锂电池厂商商和相关研究机构正在设法从锂电池内部找出消除上述各种风险的措施,研发高稳定的电池材料,从根本上防止热失控发生。这些研究内容包括电解液改进、正极材料改进、隔膜改进、表面包覆、泄压阀及热敏电阻(PTC)和加工工艺改进。

[size=1em]按照电池包的软件和硬件,分为以下3个方面阐述改进措施。

4.3.1 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。

电极形状改进的重要技术措施是叠片工艺,这一工艺技术对降低热失控具有一定的作用。目前电池正极以整体卷绕工艺为主,电极极片在卷绕拐角处有内应力,在使用一段时间之后内应力会诱导极片产生破裂,容易诱发热失控。而叠片工艺由于生产工艺效率低下,远不及卷绕工艺应用广泛,但极片一片片的叠加,它没有拐角处应力问题,热失控的诱因降低了。

(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。

智能隔膜技术对于控制锂电池内部温度具有一定的意义。采用美国Celgard公司的3层智能复合膜,在温度120℃时,上、下层PE膜里面的微孔闭合,减缓锂离子通过,电流减少温度就会下降。温度135℃时,中间层PP膜里面的微孔闭合,锂离子不能通过隔膜,没有电流通过,隔膜温度就会下降。

(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。

电池盖安全技术状态对于防止燃烧是关键。在电池盖的表面增加刻痕,当内部热失控气体压力达到一定程度时,气体在刻痕处冲破电池盖,从此处排放出去。

(6)保证各个电池一致性,对电池进行分组,便于BMS管理。

[size=1em]市场新出现的电池包CTP(Cell To Pack)技术,它取消了电池组框架,结构更加简化,但是对于电池的一致性要求更高。

[size=1em]另外,电池生产现场的杂质也会进入电池内部,引起短路,随时可能诱发热失控,为此必须做好生产现场的清洁工作。

4.3.2 电池包结构与安全设计

当发生热失控及扩展时,尽量降低事故的严重性,除BMS安全管理以外,还有电池包安全结构技术,以及主动安全技术。

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EPV(Explosion Proof Valve)防爆阀,不能完全隔离水汽进入电池包)、PTC及熔断器设计等。

[size=1em]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。电气设计时要对最小电气间隙及爬电距离进行优化,采用分布式电池外短路保护设计,多维模组热扩展结构防护透气防爆装置。

[size=1em]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。

[size=1em]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[17]。

[size=1em]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。压力传感器模块可以在停车后一段时间内处于待机状态,继续检测压力,如果压力超标就会通知BMS系统启动,开始监测工作。

[size=1em]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(后面对7大类滥用原因有详细介绍),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。

[size=1em]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。

4.3.3 BMS热管理控制环节

[size=1em]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。

[size=1em]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。

[size=1em]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。

[size=1em]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。在图3[13]中,方案3最安全,但是它的控制要求高,方案1最简单,但是热失控风险最大,方案2介入两者之间。

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图3 锂电池充电策略[13]

[size=1em]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。优良的BMS在热失控的前面阶段把内部短路风险识别出来,至少提前15 min报警,给乘员发出报警并全车自动断电,让乘员安全离开。

5 整车上电池燃烧的7类诱因分析

[size=1em]锂离子电池的电动汽车起火原因非常复杂,只能根据市场上已经起火的车辆进行分析,发现触发热失控的诱因分为以下7大类,这些诱因直接或间接触发了毒气外泄或电池的热失控和热扩散,最终导致整车火灾。

5.1 锂离子电池的电流异常

[size=1em]锂离子电池的电流异常使用包括过充电、过放电、大电流使用、外部电路短路、低温环境充电和高温环境用电,它们使电池正负极、电解液异常发热导致“热引发”,进一步发生热失控反应。

[size=1em]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。

[size=1em]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,见图4中黄色部分。GB/T 31485—2015对过充电有明确的要求,即充电至额定电压的1.5倍,或电池充满电后继续充电1 h,要求电池1 h内不爆炸、不起火。

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图4 锂枝晶示意

[size=1em]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。放电时负极表面形成铜结晶,过放电时石墨表面覆盖铜枝晶,它也可以刺穿隔膜。由于各电池的容量有差异,电池组中容量较小的电池在过放电的时候会出现正负极颠倒,触发热失控。

5.2 锂离子电池内部故障

[size=1em]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,它们大部分可以在初期检验中可以检查出来,但一些隐形的缺陷会在后期车辆使用过程中慢慢表现出来。

5.3 整车电气故障

[size=1em]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。

[size=1em]车主私自进行改装电路,使整车用电负荷增加,改装的电线搭接处容易接触不良也容易诱发电路短路、发热,如果导致高压电路异常,容易引发电池包的热失控。

5.4 机械伤害

[size=1em]电动汽车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。

5.5 外部水入侵

[size=1em]由于我国车辆使用环境很复杂,电动汽车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。

[size=1em]合肥工业大学研究了对单个电池用海水浸泡,导致热失控的试验[18]。他们采用NaCl盐水作为替代海水,单个电池长时间浸泡后,安全阀会被盐水损坏,盐水进入电池内部出现短路,最后燃烧爆炸。

[size=1em]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。

5.6 气温

[size=1em]锂电池在充放电时性能与环境温度关系密切,温度会影响电池内阻,以及电解液中锂离子的迁移速度,温度上升则迁移速度加快,充放电速率增加。如果温度下降则充放电的速度下降,同时电池容量也会下降。

[size=1em]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。

[size=1em]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。

[size=1em]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。

[size=1em]美国加州大学的模拟试验表明[19],电池包液冷系统不能阻止单个电池的热失控,但是可以延缓或阻止热失控向周围电池扩散。

5.7 外部火源

[size=1em]车辆使用过程中有可能发生各种意外,如烟蒂引燃整车、点烟器引燃整车、炎热的夏季太阳曝晒前风窗下方的香水和打火机等易燃物、充电时充电枪异常发热、停车时排气系统遇到车底的易燃物、相邻车辆的燃烧等,引起车辆燃烧。


6 整车开发环节电池燃烧风险的控制

6.1 电池包的总布置

[size=1em]锂离子电池包布置:锂离子电池布置时,要满足碰撞防护要求、电池包散热要求、整车通过性要求、整车轴荷分配要求、外形与环境件兼容等。特别是整车碰撞过程中,车身结构发生变形时电池包的防护,避免碰撞过程中电池包发生变形、破裂。GB/T 19751—2005[20]《混合动力电动汽车安全要求》要求电池包尽量布置在座舱之外,有均匀的散热和通风,且锂离子电池排除的有害气体必须排除座舱之外,也不能在车辆上聚集。

[size=1em]乘用车在被动安全方面满足中国新车评价规程(C-NCAP)和中国碰撞法规的要求,在电池包总布置时,需进行正面、侧面和后面碰撞情况下安全空间校核,对碰撞力传递途径中关键零部件进行传力和变形分析,电池包要布置在变形区域之外。如果电池包布置在机舱位置,正面碰撞时很容易受到变形的伤害。一般锂离子电池可布置在乘员舱底板下及乘员舱内,小型乘用车的电池多数布置在座舱底板下方,或者车辆后部,相对车辆前部位置要安全许多,最优方案为电池包在座舱底板下方。对于侧面碰撞,车身的中立柱和地板边纵梁需要足够的刚性来抵抗变形,碰撞中边纵梁变形一般不大于80 mm,要求电池包外壳与地板边纵梁之间的距离>85 mm,电池包才不会受影响[21]。

[size=1em]在总布置时针对高速碰撞工况,可以利用计算机辅助工程(CAE)仿真计算,估算对应的碰撞安全间隙,优化电池包和高压元件空间布置,从而避免后期不必要的返工。在碰撞完成后,实车上测量变形情况,将它与计算值进行比较,修正计算模型。

[size=1em]最小离地间隙:为了防止行驶中的电池包底部刮擦,进行1/5图的总布置图时候,要求电池包的最低点必须在“机械零件刚性限制面”之上,某车型总布置示例见图5。一般情况下小型乘用汽车最小离地间隙大于110 mm。电池包可以采用高强度铝合金托盘,如图6[22],或者下托盘采用双层结构设计,这样即使当汽车行驶中与地面上大石头等异物碰撞时,在挤压碰撞工况下外层变形但里层不变形,保证里面电池的安全。

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图5 布置电池包时高度限制

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图6 电池包的铝合金托盘[22]

[size=1em]对于小型乘用车,为了避免路面上大体积石头等异物冲击电池包,电池包最好在车辆的最低点之上,如果用户无法避免撞击,宁可让石头等异物冲击车辆前部的副车架等最低点,也不能冲击电池包总成。

[size=1em]为了避免车辆使用过程中的小石子击打电池包,另外炎热夏季停车后地面热辐射也会导致电池包升温,建议厂商在电池包下方增加塑料导流板。

6.2 电池包安全相关的整车试验

[size=1em]虽然电池厂商采取了各种安全控制措施,主机厂商也采取了各种安全方案,但是按照电动汽车的各种使用风险场景,整车厂应进行对应的整车验证,这是保障电池包安全必须进行的验证。通过验证可以发现潜在的风险。为保证电动汽车整车和电池包安全,整车厂在新产品开发结束前应进行14项验证项目,以批准电动汽车投入批量生产,其中包括验证考核整车的所有系统(前面8项)和针对电动汽车的三电系统验证项目(后面4项),见表5。

6.2.1 整车碰撞试验

[size=1em]如果车辆在充电及行驶过程中出现碰撞、翻车等事故,碰撞过程中以及碰撞后都要保证相关人员的人身安全。由于电动汽车既有传统燃油车的一般碰撞安全问题,又有三电系统的高压碰撞安全问题,它可能造成动力系统的短路、漏电、燃烧、爆炸,由此对乘员造成电伤害、化学伤害、燃烧伤害等,除了传统汽车的相关保护需求之外,电动汽车还应当满足高压电系统安全。

[size=1em]防触电安全:为了保证汽车碰撞后维护和救援人员没有触电风险,在碰撞过程中,安全气囊ECU或专用断电继电器必须瞬时发出断电信号,断开高压电回路,GB/T 31498—2015要求断电后交流电压不大于30 V,直流电压不大于60 V,避免乘员和行人遭受触电风险,保证人员安全的情况下尽量保护关键零部件不受损害。同时国标GB/T 31498—2015对于剩余电容量、物理防护、绝缘电阻也有相应的要求。

表5 涉及电池相关的整车试验项目
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[size=1em]电池碰撞安全:按照国标GB/T 31498—2015的要求,在高速碰撞工况下,保证大质量的锂离子电池与车身安装固定的可靠性,避免电池脱落对乘员和第三方造成伤害。GB/T 31498—2015评价标准:如果电池有漏液,不能超过5 L,且不能流入到座舱内。碰撞结束30 min内,车辆不得燃烧、爆炸。

[size=1em]碰撞完成后,在采取安全措施的情况下,对碰撞车辆分别进行90°和180°侧翻后,检查电池液泄漏情况,这一检查模拟了电动汽车高速碰撞之后翻车的情况,目前国标无要求,但美国公路安全保险学会(IIHS)有此要求,整车厂商必须考虑这种风险。

6.2.2 动态离地间隙试验

[size=1em]为了避免车辆行驶中遇到道路上的大石头等异物、路面的起伏、地桩等,可能刮擦电池包的风险,整车厂必须在开放的道路上,进行整车动态间隙试验。试验完成后,检查电池包的刮擦情况。评价标准:试验结束后电池包外壳不允许出现严重的伤痕。

6.2.3 涉水安全

[size=1em]当电动汽车遇到涉水、暴雨等工况时,由于水汽侵蚀,高压的正极与负极之间可能出现绝缘电阻变小甚至短路的情况,可能引起电池的燃烧、漏液甚至爆炸,若电流流经车身,可能使乘员遭受触电风险。试验中试验员必须身穿高压电绝缘衣物,安全是最重要的。

[size=1em]涉水试验相关的国标GB/T 18384.3要求水深100 mm,它不能完全代表中国用车的实际情况,为此建议整车厂商必须进行上海地标DB 31/T634—2012中的涉水部分(最大水深度300 mm)试验。评价标准:座舱和行李箱底板不能进水,试验中和试验后潮湿状态下电池绝缘电阻监控系统不能出现报警。图7是某车型进行300 mm深度涉水试验照片。

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图7 上海地标涉水试验

6.2.4 高寒、高热和高海拔试验

[size=1em]高寒试验、高热区试验和高海拔试验简称三高试验,一般情况下在冬季极寒天气、在黑龙江进行寒区试验、夏季炎热天在新疆、昆仑山进行热区和高原试验。电动汽车与常规的汽油车试验完全相同,重点在于试验过程中检查三电系统(特别是电池包)在这一些地区使用时,是否出现异常情况,三电系统有无报警信号。这3个大试验项目对应为国标GB/T 31485—2015中的高温度、温度冲击、高海拔负压试验要求。

6.2.5 整车四通道模拟耐久试验

[size=1em]由于电池包质量较大(例如:小型乘用轿车的电池包质量大约为300 kg左右),固定在车辆下方,在生命周期内承受各种振动和冲击,时间长了之后会出现固定螺钉松动或脱落,或者箍带断裂的情况,电池包可能脱落,出现严重的风险。为此,必须进行整车四通道耐久试验模拟这种情况,它对应整车在严酷道路上行驶8万公里的情况,试验完成后对电池包进行拆检。评价标准:电池包的固定不能松脱,电池包内部零件不能出现松脱。

6.2.6 整车外部、内部暴晒试验

[size=1em]该试验模拟电动汽车在夏季高温天气情况下停车时,长期在太阳下暴晒,整车温度(特别是座舱温度)急剧升高,电池包的温度也同步上升,要求电池包工作能正常,不能出现热失控。还有一种情况是车辆外部油漆损害,补漆之后车辆需要局部加温,此时电池包也有热失控的风险。评价标准:试验中(车辆未启动)电池包外壳的最高温度,要低于电池包的安全温度。

6.2.7 三电系统安全试验

[size=1em]该项试验主要是评估整车三电系统在设计、实现方面潜在的缺陷,导致人员触电的可能性,必须符合国标:GB 18384.2—2015《电动汽车安全要求第2部分:功能安全和故障防护》、《第3部分:人员触电防护》,GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》[23]补充要求。这2个标准对人员触电防护要求、功能安全防护要求、行驶过程中安全共3个方面提出了具体要求,当高压电气系统发生安全事故时,首先可及时预警并切断高压电,保证人员安全逃生。

6.2.8 整车热逃脱试验

[size=1em]2019年6月,工信部发布《关于开展新能源汽车安全隐患排查工作的通知》,提到“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 min,应提供一个热事件报警信号(服务于整车热事件报警,提醒乘员疏散)”。工信部在2019年11月又发布了实施《电动汽车用动力蓄电池系统热扩散乘员保护测试规范(试行)》通知,要求电池总成或整车状态下进行热逃脱(又称热失控)试验。

[size=1em]该试验可以在电池包内部放入PTC发热元件,模拟电池内部短路等原因导致的热失控情况,当温升速率大于一定的限值或者电池包冒烟或有明火出现时,停止PTC加热,利用摄像机记录电池包和座舱的燃烧情况。评价标准:当热失控触发以后,5 min不能发生外部起火和爆炸,车门能够打开,车上人员有充足的时间逃生。某PHEV插电混合动力车型热逃脱试验后,电池包拆开之后的照片见图8。

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图8 整车热逃脱试验后电池包

6.2.9 各种千斤顶或举升机试验

[size=1em]小型电动乘用车辆在检查或维修过程中,一定会用千斤顶或举升机在车身下裙边处顶起车辆。如果电池包的最低点要低于车身侧面的下裙边(通常情况下千斤顶作用在下裙边上),千斤顶或举升机的作用点如果出现一定的偏差(通常情况下车身下电池包与下裙边有一定的安全距离),有可能直接顶在电池包上,导致电池包变形(通常情况下单体电池与外壳之间有7 mm以上的安全距离),触发热失控。

[size=1em]市面上千斤顶的种类有很多,电动汽车保养维修时都可能遇上,为此必须对市面上常用种类的千斤顶,仔细分析它们是否有顶在电池包上的风险,如果有,就必须进行对应的整车试验。图9是一种剪式举升机,市面上正在逐步普及,必须考虑这种举升机顶在电池包上的可能性,它可能导致电池包变形。评价标准:如果有变形,电池壳体内表面不能触及电池外表面。

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图9 剪式举升机

6.2.10 碎石石击试验

[size=1em]车辆行驶中可能遇到各种小石头,它们会被车轮带起来,击打在电池包的底部,长期的打击会导致电池包外保护层破坏,石子卡在小缝隙里面,或者外壳出现凹坑。外保护层被破坏后,再遇到水或泥的侵蚀,最终导致外壳腐蚀穿孔,遇水会触发热失控。评价标准:小石子不允许击打在无防石击涂料或护板保护区域,保护区域内的涂料或护板不允许出现严重伤害。

[size=1em]如果电池包下方有塑料的导流板,它可以保护外壳免受石击,可以取消该试验。如果外壳采用防石击涂料,必须进行该试验。

6.2.11 电池液冷回路密封试验

[size=1em]为了控制电池包的温度在一定的范围之内,许多车辆采用的电控液冷保温技术,冷却液在电池包内流动,如果泄漏就会直接接触单个电池,产生很大的安全风险。为此,必须在整车状态下对冷却系统进行密封性测试。整车厂通常在每一台车加注冷却液之前会进行气密性检测,合格之后才会加注。同时整车的空调环境模拟或电池冷却系统性能试验时,可以检测电池冷却系统的密封性或系统压力,如果压力达标则密封性肯定无问题。评价标准:不能出现液体泄漏。

6.2.12 PHEV车型燃油箱隔热

[size=1em]这个试验专门针对PHEV插电混合动力小型乘用汽车,通常它的电池包和燃油箱并排布置在车辆后部。整车试验时模拟电池包发生热失控时,导致相邻的燃油箱外部温度升高,燃油箱通常采用塑料材料,此时燃油箱不允许出现融化现象。评价标准:燃油箱塑料壳体不能出现融化现象。如果不满足要求,燃油箱外部必须增加隔热板。

6.2.13 整车火烧试验

[size=1em]该试验模拟电动汽车遇到外部火源之后,电池包被引燃,出现毒气,消防员进行灭火,冷却电池防止燃烧的场景。目前国内该试验还处于研究阶段,也没有相关的标准要求。

6.2.14 整车水浸泡试验

[size=1em]该试验模拟电动汽车的完全或大部分在水中浸泡8 h,从水中取出来静置30 min,观察电池包是否会出现重新复燃的现象。目前国内该试验还处于研究阶段,也没有相关的标准要求。


7 在车辆使用中燃烧风险的预防和处理

7.1 用户合理使用车辆

[size=1em]整车厂商要将合理用车的知识传递给最终用户,用户也需要按照这些要求合理使用车辆。另外,除了车辆本身的安全以外,整车厂商和售后服务部门还要考虑到操作和维修人员的安全,需要进行专业培训、将安全知识传达给车辆使用人员等。厂商对于已经出现问题的车辆,要仔细分析原因,并找到解决措施。

[size=1em]作为整车厂商,有义务通过各种渠道,告知用户安全合理使用电动汽车,如公司对外网站宣传、车辆使用说明书、车辆局部粘贴警告标识等。车辆使用说明书必须包括电动汽车在使用各环节的注意事项,要求客户在遇到车辆长时间浸水、强烈撞击、底盘刮擦等情况后,到4S店检查。明确要求用户不要私下改装整车电路。同时使用手册应该告知车辆发生燃烧之后,用户应该采取的行动,如切断车辆电源,并及时告知救援人员如何切断高压电系统、提供车辆使用手册等等。

[size=1em]下面列出了车辆使用过程中的风险。

7.1.1 充电

[size=1em]用户要按照使用说明书的规定来操作,免在下述情况下充电:夏季炎热时最好避免在阳光暴晒的场地充电,冬季环境温度-10℃以下不要充电,选择有漏电保护装置的充电桩。

[size=1em]如果车辆上同时有慢充和快充接口,优先采用慢充的方式,快充的大电流容易导致热失控。充电的时间不宜过长,一般情况下充满后系统会自动断电,如果不能断电会导致车辆出现过度充电,诱发热失控,或降低电池包的寿命。在下雨天时候充电枪的插拔过程中,注意插头的防水。如果遇到雷雨等极端天气,建议不要充电。

[size=1em]根据相关电池热失控对比试验[24],在其它条件完全相同的情况下,3个同样的电池分别采用1.5 C,1.0 C和0.5 C倍率充满电,并竖直放置,在电池底部相同的加温条件下,3个电池出现爆燃时刻分别为360 s,880 s和980 s,这说明了快速充电的风险较高。

7.1.2 驾驶

[size=1em]用户驾驶电动汽车时尽量平稳,避免频繁急加速或者急减速,为了输出大功率此时电池包要大电流放电或充电,导致电极发热,诱发热失控,大电流也容易烧坏驱动电机。过度放电时会影响电池包寿命,以及电池容量。

[size=1em]在比较差的路段上行驶时,要注意防止路面上大石头等,冲击车辆底部。

7.1.3 车辆停放

[size=1em]炎热夏季车辆长时间行驶之后不要直接停放在太阳曝晒之下。由于小型乘用车的电池包往往安装在座舱底板下方,这样地面辐射热量被电池包吸收,叠加电池包本身工作中的热量容易造成热失控。整车厂商在设计时,可在电池包下方加一层塑料导流板,用于减少车底的空气阻力,并防止小石子打击电池包外壳并阻断热辐射。

[size=1em]电动汽车停放时,不能停放在地势低洼易地方,特别是南方的暴雨天气情况下,车辆不可以停放在容易深度积水的地方。

[size=1em]当电动汽车停车后,一般情况下散热系统会停止工作,而且车底没有行驶中的空气冷却,此时电池包热量不易散发,容易诱发热失控。在车停驶后,驾驶员不要立即熄火,让散热系统多运行一会儿。整车厂商也可通过各种控制程序设置,在车辆长时间或高速行驶停车后怠速运转30 s至2 min,让冷却回路等散热装置继续对锂离子电池组散热。

[size=1em]如果停车后无法起动,用户应联系售后人员进行检查。

7.2 车辆例行保养

[size=1em]用户按照要求到4S店进行例行保养时,企业应当针对使用电动车辆电池的特点,对可能导致热失控的风险点进行全面排查,形成操作性强、便利性强的保养流程。如果发现重大风险,要根据相关法律法规进行召回或维修。

[size=1em]整车厂商合理规定电动汽车例行的保养时间和项目范围,除燃油车常规的检测项目外,电动汽车保养项目需要增加三电系统硬件外观检验及电检,一定要在断开电路情况下进行,安全性是第一位的。

[size=1em]整车电检主要包括对车辆的CAN线进行诊断,高压电系统绝缘情况,三电系统的性能,整车各个控制器数据等,其中三电系统中电池包的电检主要包括绝缘电阻检测、电压和容量检测、通讯检测。

[size=1em]三电系统外观检查主要是目视检查电池包、驱动电机、充电机、控制器和高压电线,包括零件外观有无磕碰划伤或变形变色情况、电路插接紧固情况。

[size=1em]汽车锂电池是重点检查项目,首先检查电池包与车身连接的紧固件、箍带的稳固性,防范汽车行驶中的振动引起的电池包脱落。电池包外表无裂纹、凹陷、凸起变形,外壳接缝的密封有效,各种标识清晰、无破损。排泄阀膜片没有破裂,通气孔上出现灰尘和异物时,采用干燥压缩空气吹出污物。清理外壳上的灰尘和污垢,清理时采用干燥的抹布,或干燥化学试剂来清除。与电池包相连的各种电线的插头是否松动,密封是否有效,插接端子处无异物,附近的压紧螺钉无松动。对于液冷的电池包,冷却回路无液体流出。

7.3 车辆电池燃烧时的处理办法

7.3.1 用户首要考虑安全和及时报警

[size=1em]当车辆电池冒烟或失火时,用户是无法自己灭火的,而且毒气、燃烧和爆炸会威胁用户的生命安全,为此建议用户按照NFPA(美国消防协会)建议的6个步骤处理电池事故[25]。

[size=1em](1)停止;

[size=1em](2)如果可能的话,靠路边;

[size=1em](3)关掉汽车电源,立刻离开车辆;

[size=1em](4)离车辆距离大于304 m,同时注意其它安全;

[size=1em](5)拨打119火警求助;

[size=1em](6)不要自己去灭火。

7.3.2 消防人员灭火时要注意火灾的特点

[size=1em]电动汽车起火燃烧之后,相对于传统汽油车,有以下特点[26]:

[size=1em]锂离子电池燃烧时,负极材料受热会产生一氧化碳和其它有毒物质,电解质和隔膜在高温下会产生大量的烯烃、烷烃和醚化合物,加上电解液蒸发后在空气中扩散,含钴的正极材料会受热分解产生有毒的含钴氧化物,这些物质都具有一定程度的毒性。为此必须采取措施预防人员中毒。

[size=1em]为了确保救援人员的安全,救援前必须彻底切断车辆的高压电系统,如果无法判定高压电系统是否断电,就必须手动断电:根据随车配备的汽车使用手册、相关消防标准流程及车辆上张贴的警告标识,明确高压部件及断电开关位置后,将开关置于关闭状态,切断锂离子电池的供电系统、拔掉锂离子电池的保险丝,确保汽车电路系统充分放电。

[size=1em]由于电池的特殊结构,它内部完整地包含了燃烧3要素,一些成分在高温下会生成氧化物,即使在缺氧环境下也能继续燃烧,通过窒息来灭火无济于事,而锂离子电池的外部包裹金属外壳,而且布置在车辆的下方,灭火剂一般很难作用于电池内部,因而干粉、二氧化碳等灭火剂对锂离子电池包的灭火效果并不理想。香港理工大学的研究显示[27],采用水流对电动汽车灭火后,水中溶解的物种可能含有较高水平的氟化物和氯化物,对环境有伤害,需要消防部门注意水的环保性。

[size=1em]消防研究显示[28],对于电动车燃烧会产生有毒气体,含有五磷五氟化,磷化氢,氟化氢和其它有毒、有害物质,需要注意人员安全防护。目前还没有一个合理的灭火方法,这是一个世界性范围的难题。在实际灭火过程中,大量的水是最方便易得、效果最好、经济实用的灭火剂[26],它虽然不能进入电池包内部,但可以迅速给车辆和电池包降温,让燃烧逐渐停止下来。用水给电动汽车灭火,可能会有其它副作用,只是一个消极的办法。对于电动汽车而言,虽然电池包外部已经灭火,但内部仍然在发热,为防止复燃,需要在灭火后对锂离子电池进行长时间的监护。

[size=1em]PHEV插电混合动力汽车发生起火时,应当特别注意燃油箱(通常情况下电池包和燃油箱并排布置在一起)、电池等关键部位的冷却灭火。当燃油泄漏时,应当喷射泡沫覆盖泄漏区域,防止燃油蒸汽发生燃烧爆炸。

[size=1em]基于电动汽车上述特点,对于消防人员提出了一个难题,需要消防部门仔细研究电动汽车灭火技术特点。国家已经发布涉及电动汽车消防的标准:GB/T 38117—2019《电动汽车产品使用说明应急救援》,正在制定标准GB/T XXXX-XXXX《电动汽车灾害事故应急救援指南》,对于这方面的工作将有很大的帮助作用。

8 结束语

[size=1em]安全应当贯穿在电动汽车全生命周期当中,起火燃烧问题不完全是技术问题,它包括电池厂商、整车厂商、政府、用户和消防主体,覆盖公交、出租、充电多个领域,不能仅仅依靠于制造厂商,需要各环节都采取安全措施。

[size=1em]政府部门应当组织开展电动汽车安全问题的系统性研究,从标准、认证、检测和监管诸多方面予以规范,在研究制定相应的安全标准和法规来约束上市产品的同时,还需要加强事中、事后监管。

[size=1em]解决起火燃烧问题,根本上还是要依靠技术进步和创新突破,如固态电池、电芯材料改进、BMS系统改进、整车防护,这需要电池厂商和整车厂商的共同努力。同时新技术的不断出现会解决一部分问题,也可能产生新的问题,需要厂商不断研究。

[size=1em]从新兴产业发展的一般规律来看,在发展初期,产品容易出现一些问题,这是正常的。如同燃油汽车早期发展过程一样,电动汽车也会出现各种问题,只要各方面都努力工作,这一些问题肯定会逐步解决,用户会使用上很安全的电动汽车。




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