动力汽车用锂离子电池的安全防护

巫扬勋

摘 要：石油短缺、环境污染气候变暖，使全球的汽车产业面对共同的挑战，各国政府及产业界纷纷提出各自的发展战略，积极应对，以保持汽车产业的可持续发展，并提高未来的国际竞争力。新能源汽车已成为21世纪汽车工业的发展热点，而锂离子电池作为现今社会的主流汽车动力用电池，运用范围越来越广。

关键词：锂离子电池；安全性问题；安全防护

中图分类号：TM912.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）08-0101-02

1 锂离子电池综述

1.1 锂离子电池定义

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。

1.2 锂离子电池的分类

①按外形分，可分为方形锂离子电池、圆柱形锂离子电池、异性锂离子电池。

②按照外部封装方式分，可分为钢铝壳电池、塑壳电池、铝塑软包电池。

③按锂离子电池正极材料的不同，可分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、磷酸亚铁锂离子电池、镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。

④按照锂离子电池所用电解质材料的不同，可分为聚合物锂离子电池和液态锂离子电池。

1.3 锂离子电池的结构

锂离子电池由正极、负极、隔膜、电解液、安全阀、电池壳等组成。

①正极：正极物质在锰酸锂离子电池中以锰酸锂为主要原料，在磷酸铁锂离子电池中以磷酸铁锂为主要原料，在镍钴锂离子电池中以镍钴锂为主要材料，在镍钴锰酸锂离子电池中以镍钴锰锂为主要材料。在正极活性物质中再加入导电剂、树脂粘合剂，并涂覆在铝基体上，呈细薄层分布。

②负极：负极活性物质是由碳材料和粘合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基上，呈薄层状分布。

③隔膜：隔膜的功能是关闭和阻断通道，它一般是聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。

④电解液：电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液，聚合物的则使用凝胶状电解液。

⑤安全阀：为了保证锂离子电池使用过程中的安全，在锂电池的电池壳表面设置安全阀，防止内部压力过高。

⑥电池壳：锂离子电池的外壳根据材料分主要有钢壳、铝壳、塑胶壳壳、铝塑壳（软包），材料不同，不同锂离子电池的封装工艺各也不尽相同。

1.4 锂离子电池的特点

锂离子电池有许多显著的特点，它的主要优点如下。

①工作电压高，锂离子电池额定工作电压为3.7V，为Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。

②能量密度大，体积容量和质量容量分别可达4 00Wh/cm3和125 Wh/kg，最大可达500 Wh/cm3。

③循環寿命长。可达1 200次左右，磷酸铁锂电池在低深度放电的情况下可达8 000次。

④自放电率低，锂离子电池月自放电率仅为10%，不到Ni-

Cd＼Ni-NH自放电的一半。

⑤无记忆性，没有Ni-Cd＼Ni-NH电池一样的记忆效应。

⑥对环境无污染，称为绿色电池。

⑦可根据实际空间需要，能够制造成任意形状。

2 锂离子电池的安全性问题

锂离子电池最常见的安全性问题主要有以下几种。

2.1 短路问题

①外部短路时，由于外部正负极被短接或负载阻值过低，电池瞬间大电流放电。根据P=I2R，产生巨大热量。

②内部短路，主要原因是电池内部的隔膜被穿透，正负极形成短路，产生大电流，温度急剧上升导致隔膜熔化，进而使内部短路进一步加剧。

2.2 气体性问题

①锂离子电池内部的有机电解液在大电流或高温的条件下会被气化，导致内部压力升高达到一定程度会冲破壳体，在无安全阀或安全阀失效的情况下导致爆炸的危险。

②在大电流充电和过充的的情况下，正极锂的氧化物也会发生氧化成金属锂，一旦与空气直接接触，引起燃烧，有可能引燃电解液，导致气体急速膨胀，发生爆炸。

2.3 绝缘防护问题

电压这是因为动力汽车为达到较好的能量利用，动力电压不断提高，由以往的几十伏已经提高至目前100～600 V，远超过安全电压，如果锂电池的绝缘防护做得不好，动力电池高电压将会电池金属外箱或金属车身对乘员产生电击伤害。

2.4 电路连接可靠性问题

长时间大电流工作的动力电池如有局部接触不良，或螺丝松动，接触不良的地方内阻大，导致局部的温度急剧上升，热量会熔化导体外部的绝缘层，使导体处于裸露的状态，导致发生电击或短路的危险。

2.5 机械结构防护问题

一方面当动力汽车发生碰撞时，电池将承受巨大的冲击载荷，并且可能受到挤压、穿刺等损坏，严重的造成电池的燃烧、爆炸等危险。另一方面动力汽车的工作环境为一个动态环境，长期在路面上颠簸，容易导致电池固定松动，造成一些机械性的伤害和连接件的松动导致的一些问题。

3 安全防护

安全电压：人体的安全电压多采用36 V，根据国际电工标准（IEC60529）——为蓄电池驱动的道路车辆提供能量的点起装置，对正常工作中的触电防护要求为在任意可接触的触点间的峰值电压应低于42.3 V。

安全电流：根据国家相关安全标准，人体允许电流不超过30 mA，某些特殊场合下将更小。

电池绝缘阻值：在电池的整个寿命周期内，按照标准计算方法计算得到的绝缘电阻值，除以电池的标称电压U，所得值应大于100 Ω/V。

爬电距离：联接端子的带电部分（包含任何可导电的连接件）和电底盘之间，或两个电位不同的带电部分之间的沿绝缘材料表面的最短距离。以符号d表示。两个联接端子的爬电距离d≥0.25 U+5（d单位为mm，U为两个端子间的标称电压）；带电部分与电底盘间的爬电距离d≥0.125U+5（d单位为mm，U为两个端子间的标称电压）。

3.1 电池的绝缘防护

①对于安全电压超过36 V的动力电池，安装于汽车后其电池的表面必须有明显标识警告标记，并注明电池的相关参数（容量、电压等）。

②电动客车用电池组输出电压高达几百伏，电池箱除固定安装电池外，必须有效隔绝操作人员和乘客与电池的接觸，防护要求如下：

其一，电池箱必须有效接地，与电池间的绝缘电阻值是为了满足安全目的而确定的一个足够的值。要求在动力蓄电池的整个寿命周期内，该绝缘电阻值除以动力蓄电池的标称电压U，所得值应大于120 Ω/V；其二，电池的两级以及两级的连接板与电池箱的最小距离必须>10 mm，防止击穿放电；其三，电池箱的内部涂覆阻燃、耐高温的绝缘漆。

③由于动力汽车使用环境较为恶劣，主要受振动、冲击、气候冷热交替以及动力电池腐蚀性液体、气体等的影响，其强电部分与车体之间的绝缘容易出现损伤和破坏，使绝缘性能下降，电源正极、负极引线通过绝缘层性能下降，使底盘电位上升，不仅会危及乘客的人生安全，还将影响车内电器的正常工作。增加绝缘检测模块，准确、实时检测高压电气系统对车辆底盘绝缘性能也是绝缘防护的一种措施。其原理是以直流正、负母线对地的绝缘电阻来衡量，其值需大于100 Ω/V，才符合安全的要求。

3.2 电池的结构防护

①电池箱体强度和稳定性防护：电池箱的基本功能即容纳和保护电池组，其结构必须保证在大容量的容纳空间基础上满足足够的强度，以保证在非正常情况下的碰撞下保护里面的电池不受大力挤压。同时考虑到节省布置空间，并满足汽车多变的运行环境，建议电池箱采用上下箱体结构，电池箱内部设计推荐使用框架结构固定电池，对于大面结构采用加强筋加强整体强度，并根据布置要求适当调整。

②电池箱体IP等级防护：对于电池箱放置位置在车体外，电池箱外壳为第一防护层，其电池箱需要做全封闭防水设计，防水等级需达到IP67。在不影响防水等级的基础上同时必须具备散热系统，以保证密闭空间内的温度不至过高，有效地保护电池的安全和使用寿命。通风和散热结构设计规则：

其一，进风口尽量位于车身风源丰富，并且没有其他热源的位置，防止通风不畅；其二，根据电池箱容量的大小和电池放热特性匹配散热风流量，并保证足够的安全系数；其三，电池箱内部通过挡板等导流方式引导内部气流流向，保证每个单体电池充分散热；其四，进排风口尽量位于电池的箱上部2/3以上的空间，避免运行中有水进入；其五，如遇突发故障，必须保障电池电源器断电后散热风扇才切断。

③动力插头的可靠性防护：对于有防水要求的电池，动力的输出是个难点。之前由于很少有防水的航插，只能通过在插接后在航插的外围再做防水处理，这样做不便于拆卸，并且可靠性也不强。随着动力汽车的快速发展，相关的动力汽车电池用配套设备也有长足的发展，航插也不例外，目前市场上也越来越多专门针对防水要求的动力电池，其不但能满足防水的要求，并有自锁功能，在未检修的时候也能满足快速拔插的功能。

④电池的顶端面安全防护：整组的动力电池可能会由几十个或更多的锂电池串连或并联，其大量连接件和电池本身的正极、负极都为裸露的，需要对其表面做一些绝缘处理，以减少裸露降低短路的风险，作为动力电池考虑到装配工艺，电池的顶面一般都为带电裸露部分，对于顶面的防护尤为显得重要。基本的做法是先贴一层耐高温胶带，在铺设一层绝缘阻燃的青稞纸，在外面再盖一层1～2 mm有一定机械强度厚的绝缘板，在这种防护下，即使顶面收到撞击变形，也不会导致电池之间的短路。

4 结 语

本文主要讲述了锂离子电池的发展、分类、结构、特点，并分析了动力汽车用锂离子电池易出现的几个安全性问题。为了保证动力汽车安全的运行，如何安全地防护，主要讨论了从电池的绝缘防护和结构防护两大方面来展开，并提出有效的解决方案，从根本上杜绝不安全的因素，保证电动汽车的安全运行。

参考文献：

[1] 崔胜民.新能源汽车概论[M].北京：北京大学出版社，2011.

[2] 李晓华.新能源汽车技术发展的挑战、机遇和展望[J].电源技术，2012，（2）.

[3] GB/T 18384-2001，电动汽车安全要求[S].

[4] IEC 60529-2013，国际电工标准[S].