【電池安全】如何有效防止動(dòng)力電池?zé)崾Э匾l(fā)的災(zāi)難性后果？

長(zhǎng)續(xù)航里程和短充電時(shí)間對(duì)電動(dòng)汽車(chē)（BEV）的用戶來(lái)說(shuō)起著重要作用。這需要具有高性能的鋰離子電池系統(tǒng)。熱失控是此類(lèi)電池的固有風(fēng)險(xiǎn)，其潛在后果是嚴(yán)重的車(chē)輛損壞或乘客受傷。

電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)接受度在很大程度上取決于性能和車(chē)輛成本。動(dòng)力電池是一個(gè)重要的性能驅(qū)動(dòng)因素，也是一個(gè)主要的成本貢獻(xiàn)者。因此，在短開(kāi)發(fā)周期內(nèi)持續(xù)提高駕駛性能和降低成本對(duì)于市場(chǎng)成功至關(guān)重要。

對(duì)高續(xù)航里程和短充電周期的期望要求電池具有高能量密度，這意味著需要在高性能鎳錳鈷（NMC）電池類(lèi)型中采用緊湊的電池封裝。這類(lèi)電池的固有風(fēng)險(xiǎn)是熱失控（TR），這是一種電池在活性物質(zhì)放熱降解過(guò)程中的自熱，導(dǎo)致高溫導(dǎo)電反應(yīng)氣體通過(guò)電池爆噴口爆炸性釋放。當(dāng)電池溫度超過(guò)臨界極限時(shí)，會(huì)觸發(fā)自熱。過(guò)熱可能是由內(nèi)部或外部短路（污染或碰撞）、外部加熱、過(guò)度充電或冷卻系統(tǒng)故障引起的。

如果沒(méi)有熱防護(hù)設(shè)計(jì)，該事件會(huì)讓熱失控電芯的熱氣流向相鄰電池傳導(dǎo)熱量，或由于電弧而點(diǎn)燃導(dǎo)電氣體，從而觸發(fā)其他電芯中的熱失控。這種連鎖反應(yīng)被稱為熱蔓延（TP），這會(huì)對(duì)電池或車(chē)輛造成嚴(yán)重?fù)p壞，在最壞的情況下，還會(huì)對(duì)乘客造成致命后果。熱失控的風(fēng)險(xiǎn)可以通過(guò)設(shè)計(jì)最小化，但不能完全消除。需要一個(gè)安全設(shè)計(jì)來(lái)避免熱蔓延及其災(zāi)難性后果。

Part 1

安全設(shè)計(jì)及所需零部件

隔熱罩或隔熱板、熱氣導(dǎo)向部件和電芯間隔熱片等耐熱產(chǎn)品提高了電池系統(tǒng)的安全性，如圖1所示。隔熱板通常位于電池爆噴口和電池蓋或電池外殼的其他部分之間，保護(hù)它們免受來(lái)自熱失控電芯載有顆粒的熱氣流的直接影響。隔熱罩需要承受粒子轟擊產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱氣產(chǎn)生的熱應(yīng)力。此外，被保護(hù)部件的溫度必須保持在一定限度以下，例如部件熔化溫度，同時(shí)還需要絕緣功能。

熱氣導(dǎo)向部件將熱氣（包括導(dǎo)電顆粒）從電池爆噴口引導(dǎo)到非關(guān)鍵區(qū)域，并且在高壓（HV）部件之間建立電絕緣屏障。這消除了不同電壓電位的高壓端子之間產(chǎn)生電弧的風(fēng)險(xiǎn)。

電芯之間的隔熱片抑制了從一個(gè)電芯到相鄰電芯的熱蔓延。除了隔熱功能外，電芯間隔熱片還應(yīng)能夠補(bǔ)償電池在壽命期間的膨脹，以及充放電過(guò)程中的呼吸，同時(shí)最大限度地減少電池組上的壓力。分離器確保電池上的壓力保持在循環(huán)穩(wěn)定的最佳范圍內(nèi)。

圖2：熱失控的影響和安全部件的重要性

熱失控對(duì)乘客和車(chē)輛的影響取決于具有一個(gè)、兩個(gè)或所有上述部件的安全設(shè)計(jì)的有效性。我們可以定義四個(gè)嚴(yán)重程度級(jí)別，如圖2所示。

● LEVEL 1這一水平為安全疏散乘客提供了足夠的時(shí)間。10分鐘（典型時(shí)間范圍）內(nèi)，電池包外不允許有火或煙。具有良好隔熱性能的隔熱罩可保護(hù)電池包的機(jī)械完整性，有效的氣體引導(dǎo)可在熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的初始階段防止激發(fā)電弧。然而，這最終將導(dǎo)致車(chē)輛全損。1級(jí)是聯(lián)合國(guó)第20號(hào)全球技術(shù)法規(guī)（電動(dòng)汽車(chē)安全（EVS））的最低法律要求，許多國(guó)家都采用了該法規(guī)。

● LEVEL 2熱蔓延被管控，損壞僅限于電池包。乘客有足夠的時(shí)間安全疏散；然而，在電池包外部可能會(huì)觀察到一些煙霧。具有高隔熱性的改進(jìn)型電芯間隔熱片中斷了熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。絕緣隔熱罩以及1級(jí)所述的氣體和顆粒導(dǎo)向裝置達(dá)到了安全設(shè)計(jì)。車(chē)輛將被拖走進(jìn)行維修，并且可以更換電池。

● LEVEL 3阻止熱蔓延或零熱蔓延概念可防止熱失控的任何升級(jí)。駕駛員將收到電池故障的通知，但不需要疏散。電池之間的高效隔熱消除了熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。該事件被隔離到一個(gè)電芯。因此，隔熱罩和氣體導(dǎo)向的作用會(huì)減弱?？梢酝蟿?dòng)車(chē)輛修理電池。

● LEVEL 4

除了3級(jí)，這里的電池管理系統(tǒng)仍然允許車(chē)輛行駛到可以維修電池的位置。

Part 2

工程化安全解決方案

電池系統(tǒng)的概念和設(shè)計(jì)是多樣化的，這取決于制造商的策略和偏好。它從電池化學(xué)成分開(kāi)始，如磷酸鐵鋰、鎳錳鈷或新型鈉離子電池，以軟包、圓柱、方形等形式組合電池包，包括電芯到模組、電芯到電池包以及電芯車(chē)身一體化。每個(gè)電池系統(tǒng)都需要一個(gè)獨(dú)特的安全設(shè)計(jì)和工程組件相結(jié)合。隔熱系統(tǒng)（TIS）是隔熱材料與智能設(shè)計(jì)的結(jié)合。

優(yōu)秀的熱防護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是隔熱材料，即滿足物理、化學(xué)和機(jī)械性能的工程復(fù)合材料。最重要的是高耐熱性，因?yàn)椴牧显跓崾Э厣踔翢崧悠陂g應(yīng)盡可能長(zhǎng)時(shí)間保持完整。

優(yōu)秀解決方案的另一個(gè)因素是設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的組件應(yīng)滿足電池組件的特定安全要求，同時(shí)輕便且節(jié)省空間。安全設(shè)計(jì)應(yīng)該是電池設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分，從開(kāi)發(fā)的早期階段就要考慮。

● 隔熱板隔熱板是由多層材料結(jié)合特定的設(shè)計(jì)理念開(kāi)發(fā)而成的。它們具有高達(dá)1400℃的耐高溫性，抵抗熱氣顆粒沖擊的高機(jī)械強(qiáng)度，以及良好的隔熱性。材料由耐熱礦物纖維復(fù)合材料制成，與其他成份結(jié)合用于機(jī)械增強(qiáng)。添加隔熱層可實(shí)現(xiàn)隔熱性能。在1400℃的火焰溫度下，冷側(cè)溫度從1000℃以上降至400℃以下，如圖3所示。量身定制的隔熱板也可以設(shè)計(jì)有局部隔熱層，用于溫度關(guān)鍵區(qū)域或高熱影響區(qū)域，例如電池壓力爆噴口上方。

圖3：隔熱層將耐熱材料升級(jí)為隔熱罩

最薄的隔熱板厚度僅為1.2毫米，可抵抗顆粒沖擊至少15秒，同時(shí)將外部溫度限制在400℃以下。典型的低重量材料（如鋁或片狀模塑復(fù)合材料）的溫度限制不會(huì)被超過(guò)。通過(guò)加入額外的材料層，提高針對(duì)高性能電芯的耐顆粒物沖擊和隔熱性能以及熱蔓延情況下多次爆噴保護(hù)。這種隔熱板的隔熱性能如圖3所示。因此，這些隔熱板超過(guò)了各種類(lèi)型電池配置的要求。該材料可以三維成型，以生產(chǎn)整片式隔熱板。它可以遵循外殼的輪廓，以最大限度地?cái)U(kuò)大覆蓋范圍，保護(hù)所有關(guān)鍵區(qū)域，并使其能夠緊密集成到現(xiàn)有架構(gòu)中。

● 可控的熱氣導(dǎo)向

負(fù)責(zé)熱氣導(dǎo)向的組件在爆噴單元熱氣流導(dǎo)向方面起著至關(guān)重要的作用。它們的主要功能是通過(guò)防止導(dǎo)電粒子到達(dá)關(guān)鍵部件和區(qū)域來(lái)保護(hù)它們。關(guān)鍵區(qū)域包括帶電、非絕緣表面及其之間的空間。熱氣導(dǎo)向產(chǎn)品通過(guò)疏導(dǎo)導(dǎo)電的氣流來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該產(chǎn)品在提供熱阻保護(hù)的同時(shí)建立了電絕緣屏障。

為了獲得有效的性能，用于熱氣導(dǎo)向元件的材料必須耐熱到能夠承受熱氣流的程度，同時(shí)還需要電絕緣性能和機(jī)械穩(wěn)定性。這確保了在TR事件期間有足夠的通道保持完整性。理想的選擇是改性多層材料復(fù)合，與用于隔熱板的材料類(lèi)似。

然而，關(guān)鍵在于熱氣導(dǎo)向結(jié)構(gòu)內(nèi)熱氣體入口的設(shè)計(jì)。當(dāng)電池完好無(wú)損時(shí)，這些開(kāi)口必須保持關(guān)閉，但在爆噴事件中必須立即打開(kāi)。為了滿足這一要求，特殊配置的機(jī)械結(jié)構(gòu)覆蓋了爆噴口，并且僅在熱失控事件時(shí)觸發(fā)。觸發(fā)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)可以根據(jù)高溫、爆噴壓力或兩者的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4所示。機(jī)械壓力觸發(fā)可以通過(guò)熱氣導(dǎo)向部件中的預(yù)定斷裂點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)；觸發(fā)壓力可以通過(guò)斷裂點(diǎn)的強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)。由熱敏膜保持關(guān)閉的開(kāi)口是熱觸發(fā)的，其觸發(fā)溫度取決于膜材料。

壓力觸發(fā)打開(kāi)機(jī)械結(jié)構(gòu)可以有效地直接放置在電池爆噴口上方，以攔截初始?xì)怏w脈沖。相比之下，溫度觸發(fā)的打開(kāi)機(jī)械結(jié)構(gòu)可用于爆噴位置不太可預(yù)測(cè)的軟包電池。這種自適應(yīng)方法允許定制系統(tǒng)特性，以匹配特定類(lèi)型的電池單元及其爆噴行為。

● 電芯間隔熱片電芯間隔熱片主要阻止從一個(gè)電芯到相鄰電芯的熱傳遞。阻止熱蔓延或零熱蔓延概念要求電芯的溫度不應(yīng)超過(guò)100℃；這是觸發(fā)熱失控的溫度。先進(jìn)的電芯隔熱片具有彈性特性，可以補(bǔ)償電芯呼吸和電芯膨脹，以及電芯組的組裝公差。所需的熱和機(jī)械性能無(wú)法僅通過(guò)云母復(fù)合材料、氣凝膠羊毛或泡棉等分散材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要一個(gè)配套的設(shè)計(jì)組件來(lái)實(shí)現(xiàn)薄電芯間的隔熱。

圖4：熱氣疏導(dǎo)元件爆噴口的觸發(fā)選項(xiàng)

圖5：多功能電芯間隔熱片的機(jī)械模型

先進(jìn)的電芯間隔熱片設(shè)計(jì)提供了兩個(gè)具有不同彈性特性的區(qū)域，如圖5所示。由彈性體材料制成的實(shí)心框架補(bǔ)償了電池堆在組裝到模組或電池組中時(shí)的尺寸公差；肋骨結(jié)構(gòu)在中心提供較低的彈性以補(bǔ)償腫脹/呼吸。該概念允許對(duì)實(shí)心框架和肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立的尺寸調(diào)整，從而使彈性特性能夠適應(yīng)裝配情況和單元特性，如圖5中的機(jī)械模型所示。

圖6：多功能電芯間隔熱片的熱和機(jī)械特性

圖6展示了具有不同肋部設(shè)計(jì)的兩個(gè)樣品的熱和機(jī)械特性的結(jié)果。隔熱性能幾乎相同：盡管熱側(cè)的溫度在200秒內(nèi)從環(huán)境溫度升高到700℃，但兩個(gè)樣品都將冷側(cè)的溫度限制在<100℃。兩種設(shè)計(jì)都允許在對(duì)電池循環(huán)穩(wěn)定性至關(guān)重要的典型壓力限制下壓縮至少0.45毫米（最小0.05兆帕，最大1兆帕）。組裝厚度在1.4至1.6毫米之間，這意味著壓縮性超過(guò)30%。

然而，機(jī)械特性明顯不同：設(shè)計(jì)1的壓力-厚度梯度大約是設(shè)計(jì)2的兩倍。設(shè)計(jì)1比設(shè)計(jì)2“更難”。在1.8至2.0毫米的較大隔熱片厚度下，壓縮性可能會(huì)增加50%以上。

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