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新能源汽车电池安全问题的现状及对策

时间:2020-11-17 来源:科学技术创新 本文字数:3239字
作者:游煜城,张润樾,黄泽平 单位:广东财贸职业学院

  摘    要: 新能源汽车市场占有率不断提高,但电池安全的问题日益突出,严重影响电动汽车的普及和推广根据2019年统计的新能源汽车自然数据中,与动力电池安全相关的新能源汽车安全事故达40余起,而由于电池热失控引起的动力电池安全事故为主要原因之一;在行驶途中或者充电状态时,电池会因内阻产生大量的热能,从而引起锂电池温度快速升高导致电解液气化,将会使锂电池膨胀挤压导致电池组爆炸起火而产生危险。

  关键词: 电池组; 热失控; 安全; 预警;

  目前,随着不可再生资源日益枯竭,节源环保意识提升。新能源汽车受到民众的青睐,其中,动力锂电池组凭借其比其他电池组有着更优秀的性能成为各大汽车厂商首选的新能源汽车动力源。然而根据2019年统计的新能源汽车自然数据中,与动力电池安全相关的新能源汽车安全事故达40余起,而由于电池热失控引起的动力电池安全事故为主要原因之一。另外新能源汽车在行驶途中面对复杂路况时其动力电池组势必处于负载情况下会因电池内阻产生大量的热能,导致锂电池的电解液气化,从而导致热失控现象发生。因此需要设计一种电池组可动态调节电池的温度的状态,避免高温电池电解液气化和低温锂电池性能下降。

  本论文是基于智能锂离子动力电池组专利来阐述电池安全问题的思路,减少因电池问题产生的自然事故。专利基本内容:在电池组内水平横置结构的放置两到三个锂电池,内置温度传感器和在电池组前端放置红外温度传感器监测电池外表温度,通过冷却管中冷却液的流速保持电池温度相对恒定。
 

新能源汽车电池安全问题的现状及对策
 

  1 、动力电池安全问题

  1.1、 因电池产生安全事故事件统计

  新能源汽车是目前国内汽车工业发展的风口,在2020年全国两会《政府工作报告》中提出了重点支持“两新一重”的建设,报告支持:加强新型基础设施建设,发展新一代信息网络,拓展5G应用,建设数据中心,增加充电桩、换电站等设施,推广新能源汽车,激发新消费需求、助力产业升级。目前,新能源汽车动力电池普遍采用锂离子电池作为储能元件,锂离子电池优势在于比能量高、循环寿命长,但存在较为严重的安全隐患。在面对汽车行驶途中的复杂工况时,电池的安全性是目前新能源汽车的一个挑战,当车辆行驶或者充电途中不能及时有效的控制电池的温度则容易发生热失控的现象。

  表1是2016年-2020年上半年的因电池故障导致新能源汽车自燃的事故件数(数据来源于互联网,数据经过筛选只统计因电池事故起火的案例,因数据收集不全实际新能源汽车起火事件数量比统计数量多),从表一中可得新能源汽车在充电或者行驶途中因电池热失控自燃的案例在逐年递增,还可以发现这些自燃的纯电车中汽车品牌也有增加,说明现在的新能源汽车制造商都在面临电池安全的挑战。

  1.2 、自燃原因分析

  上述因动力电池导致新能源汽车自燃事件统计分析可得,新能源汽车自燃事故具有易触发、不易发现、多诱因的特点。上述统计的数据都是因为动力电池问题引发的自燃,电池安全涉及到自身材料、制造工艺、电气、热力学等多个方面问题,而新能源汽车面对复杂的工况环境对电池的安全要求更为苛刻。汽车行驶途中和充电途中,电池都处于一个持续放电或充电状态随着电池老化,各个电池之间的一致性会越来越差,这时电池过充或者过放就会更容易发生热失控情况。如图1,当电池长期工作时,电池内阻变大而产生大量的热能温度升高到90~120℃之间时SEI膜开始分解,释放热量,温度升高。但是当温度达到120~130℃时保护层SEI膜遭到破坏,负极与溶剂、粘结剂反应,温度升高,隔膜融化关闭。温度继续升高至150℃之上后,内部电解质开始进行分解,继续释放热量,进一步加热电池,电池温度达到200℃之上时,正极材料分解,释放出大量热和气体,持续升温。250-350℃嵌锂态负极开始与电解液发生反应。在反应发生过程中,电解液与正极反应产生的氧气剧烈反应并进一步使电池发生热失控。

  图1 动力电池热失控机理
图1 动力电池热失控机理

  2 、电池安全问题现状

  2.1、 热失控诱因

  为了解决电池安全问题,一方面需要利用车载BMS系统对电池状态进行监督,保持单体电池之间的一致性;及早发现单体电池存在的问题。另一方面需要对诱发电池热失控的故障案例进行分析,从电池着手建立有效的诊断方案和预警机制来提高电池的安全性。热失控诱因分为三大类:机械诱因、电诱因、热诱因;机械诱因细分两类:挤压和刺穿;电诱因细分两类:内短路和过充点;热诱因:高温过热。当热失控发生后会波及其他安全的单体电池也就是热失控扩展。

  2.2、 电池设计缺陷

  电池安全涉及到自身材料、制造工艺、电气、热力学等多个方面问题,所以电池的合理设计可以减少热失控的诱因,目前存在的缺陷:a.电池装配的工艺不高,导致制造过程中存在一定的公差。由于新能源电池散热风扇在制造安装过程中容易因为尺寸要求不规范导致安装后风扇外传子偏离出现风扇振动的情况,长期行驶途中电池组的电缆就存在因为风扇的振动导致电缆接头松动,接触电阻产热,引起电池温度升高导致热失控的风险。b.电池组的封装工艺不够紧密,电池舱密封性弱,汽车长期行驶途中不可避免的会遇见下雨天和路况较差的情况,当电池舱密封性弱时会有泥水渗入舱内,存在短路的现象;并且有可能渗入的泥水夹杂这颗粒物,电池封装不够紧密时电池振动有可能导致电池单体被刺穿。

  表1 2018年-2020年上半年电动汽车自燃事件统计表
表1 2018年-2020年上半年电动汽车自燃事件统计表

  3、 电池安全问题对策

  新能源汽车在行驶途中面对复杂路况时其动力电池组势必处于负载情况下,造成锂电池发热严重而导致电路短路也是电池热失控安全事故的主要原因。因此,如何提高动力锂电池的散热性和安全性成为新能源汽车行业急需解决的技术问题。为了解决上述的电池安全问题的现状,减少电池热失控现象的发生,讲解自己对电池安全问题解决的思路。

  3.1、 电池安全问题解决思路

  传统的电池组制造工艺相对简陋,电池单体缺(转下页)乏传感器监控;因此可以设计一种智能锂离子动力电池组,具体设计思路是:电池组外壳采用铝合金材料,在铝合金外壳侧边开口,方便电池包和传感器封装;在外壳内水平设计左右结构的电池槽位,将锂电池包安装与电池槽位并放置耐高温垫圈,减少车辆行驶时振动对电池的影响;在相邻电池之间设置冷却管,冷却管连通电池组前后端以便于冷却液循环,并设置水泵连接BMS系统采用温控的方法控制冷却液的流速;在外壳前端嵌入式处理器收集电池单体的电池数据如:温度、电压等,在外壳上设计与设备连接的动力电池组的正、负电极和嵌入式处理器的CAN线路接口。

  3.2、 设计思路优势

  通过前文可以了解到新能源汽车的自热起因大多数都是由于动力电池组的热失控导致的,而热失控诱因归咎于电池的设计,组装,监控不重视,例如:外力导致电池组被刺穿、充电时BMS失效导致电池过充、行驶时汽车的振动导致接口松动电阻变大,等等。因此设计思路就从上诉问题着手,将电池组外壳材质换成铝合金外壳,增加外壳强减少电池组因外力导致变形。更换散热方式采用冷却液循环方式,避免传统风扇散热的缺点:散热不均匀还受安装工艺影响风扇运作时产生振动。更全面的监控方式:在单体电池里增加温度和电压传感器,在电池组内部安装热能感应器,当电池电压下降和温度上升时可以及时告知车主有效预防热失控对人身健康威胁。

  4、 结论

  对近几年因动力电池故障导致汽车自燃事件进行统计,分析起火原因,讨论了电池热失控的诱因,得出动力电池现有的缺陷,动力电池组技术水平直接影响新能源汽车的未来发展,本文结合新能源汽车电池技术问题和设计的实用新型专利为新能源汽车智能锂离子动力电池组,对电池安全的探讨给车企未来对电池安全的思考提出了建设意见。

  参考文献

  [1]陈泽宇,熊瑞,孙逢春.电动汽车电池安全事故分析与研究现状[J].机械工程学报,2019.
  [2]姚雅祺.浅析新能源汽车电池技术所存在的问题及对策[J].长春职业技术学院,2020.
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  [4]罗庆凯,王志荣,刘婧婧,薛云龙.18650型锂离子电池热失控影响因素[D].南京:南京工业大学,2015.
  [5]任金波,张翔,施火结.新能源汽车电池散热风扇轴向振动分析与改进[J].福建农林大学,2017.

  原文出处:游煜城,张润樾,黄泽平,胡鹏.动力电池热失控对新能源汽车的危害[J].科学技术创新,2020(31):170-172.
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