动力电池包的安全问题,从根本上说都是电池系统热失控问题。系统散热能力与系统生热能力不匹配,热量在系统内积累,电池温度上升,最终导致燃爆等恶劣后果。
上图是锂电池热失控示意图。图中体现的是性能正常的电芯,热量积累引发热失控的过程。撞击,穿刺等机械损伤造成的热失控,不在这张图的描述范围。
锂电池负极SEI膜,是在系统温度上升过程中,最先出现失效的结构,反应起始温度在90到100°左右。考虑电池的内外温差以及保留部分冗余设计,这就是我们的电池包工作温度上限一般设置在50到60°之间的原因。
正常使用中,防止热失控,一方面避免过多热量的产生和积累;另一方面,提高热管理水平,让电池在它最适合的温度环境下工作。
原因如前面所述,在过高温度下使用,从锂电池负极SEI膜溶解开始,失去保护的负极与电解液反应放热,电解液分解放热,正极分解放热,这些热量积累起来,反应逐渐加剧,反应从一只单体蔓延到附近电芯,一个模组的反应,给整个电池箱内的电芯加热,这就是所谓热失控的过程。
电池包都会标注一个使用温度范围,低于下限温度,如果在过低温度下使用,电池也是无法正常工作的。低温放电,理论上没有跟热失控有明确关联,但低温造成电解质活性降低,导电能力变差,进而导致放电能力变差,就是我们所谓的放不出电来,车子没劲儿。如果是低温强行充电,则会造成负极析锂问题,容量会受到永久损伤不说,析出的锂积累在那里,是热失控的重要原因。
超过电芯允许能力的大倍率放电,系统热量不能及时散去,热量积累,逐渐加大了热失控的风险。同时,过大倍率的放电,使得正极材料的锂离子嵌入过程超速进行,造成正极晶格坍塌,容量永久性损失。大倍率充电,使得锂离子通过SIE膜的速度低于锂离子向负极积聚的速度,出现锂单质在负极表面堆积现象,如果过程反复进行,锂枝晶不断生长,最终会刺破隔膜,造成内短路,引发热失控。
过充,充电截止电压超过了电芯的最高电压,造成正极活性材料晶格塌陷,锂离子脱嵌通道受阻,使内阻急剧升高,产生大量热;负极堆积了过量的锂单质,附着在负极表面,所谓析锂现象。正负极的反应过程都容易最终走向热失控。
过放,本来应该是锂离子从负极脱出,嵌入正极晶格,但负极没有那么多的正离子可以提供,使得负极的集流体铜排失去铜离子,铜离子游离在电解质中,附着在正极或者负极,都会造成整个系统的失效。
对于热失控风险的防范,BMS主要是起到监督作用,防止电池滥用发生。温度,BMS有明确的工作温度阈值设置,针对充电,放电均有最高最低的温度限制,超过设置限制,系统不得开启或者必须降功率运行;电压,针对过充过放风险,BMS设置有最高最低的充电和放电电压阈值,确保在触及电压阈值时,系统自动停止运行。
热管理,根据电池包的理想工作温度,命令冷却加热系统工作,防止过冷过热情况的出现。温度对电池性能影响较大,目前一般只能测得电池表面温度,而电池内部温度需要使用热模型进行估计。常用的电池热模型包括零维模型(集总参数模型)、一维乃至三维模型。
零维模型可以大致计算电池充放电过程中的温度变化,估计精度有限,但模型计算量小,因此可用于实时的温度估计。一维、二维及三维模型需要使用数值方法对传热微分方程进行求解,对电池进行网格划分,计算电池的温度场分布,同时还需考虑电池结构对传热的影响(结构包括内核、外壳、电解液层等)。一维模型中只考虑电池在一个方向的温度分布,在其他方向视为均匀。二维模型考虑电池在两个方向的温度分布,对圆柱形电池来说,轴向及径向的温度分布即可反映电池内部的温度场。二维模型一般用于薄片电池的温度分析。三维模型可以完全反映方形电池内部的温度场,仿真精度较高,因而研究较多。
但三维模型的计算量大,无法应用于实时温度估计,只能用于在实验室中进行温度场仿真。为了让三维模型的计算结果实时应用,研究人员利用三维模型的温度场计算结果,将电池产热功率和内外温差的关系用传递函数表达,通过产热功率和电池表面温度估计电池内部的温度,具有在BMS中应用的潜力。下图所示为电池内部温度的估计流程。
一般地,锂离子电池适宜的工作温度为15~35℃,而电动汽车的实际工作温度为-30~50℃,因此必须对电池进行热管理,低温时需要加热,高温时需要冷却。热管理包括设计与控制两方面。温度控制是通过测温元件测得电池组不同位置的温度,综合温度分布情况,热管理系统控制电路进行散热,热管理的执行部件一般有风扇、水/油泵、制冷机等。
比如,可以根据温度范围进行分档控制。Volt插电式混合动力电池热管理分为3种模式:主动(制冷散热)、被动(风扇散热)和不冷却模式,当动力电池温度超过某预先设定的被动冷却目标温度后,被动散热模式启动;而当温度继续升高至主动冷却目标温度以上时,主动散热模式启动。
在最新的《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》征询意见稿中, 对车用锂离子动力蓄电池的热失控和热扩撒问题有详细描述,并提出了相应的报警保护措施和测试方法。
在附录C的规范性附录中提出了热扩散乘员保护分析与验证报告。
在附录D的资料性附录中提出了热扩散试验的方法。
并提出了判定发生热失控的条件
该国家标准已经完成了征询意见阶段, 马上会形成正式标准文本发布以及实施,大家可以找到标准文本参考阅读。
关于BMS的基础知识,请参考前文:
动力电池管理系统(BMS)基础(一);
动力电池管理系统(BMS)基础(二);
动力电池管理系统(BMS)基础(三);
动力电池管理系统(BMS)基础(四;