锂电池热失控预警机制设计

邵庆 喻攀 黄欢 胡志祥 李骁 王晨鸣

摘要：锂离子动力电池是我国新能源汽车宏观发展战略的关键部件，其安全性问题如热失控等至今依然是锂电池产品化、产业化发展过程中的关键技术瓶颈。本文针对三元锂电池包，以过充试验这种电池滥用形式对热失控现象进行探讨，预测锂离子动力电池发生热失控的趋势和时间，并结合试验现象，设计热失控过程的预警机制，然后基于ABB AC 800M设计一套预警控制系统，并通过半实物仿真平台进行模拟试验，验证了预警机制的有效性。该预警机制通过给驾驶人员提供热失控预警信息，保证了危险状况下乘客的逃生时间，为电动汽车的安全运行提供保障。

Abstract： Lithium-ion power battery is the key component of the macro-development strategy of new energy vehicles in China， and its safety problems such as thermal runaway are still the key technical bottleneck in the process of lithium-ion battery production and industrialization. In this paper， the thermal runaway phenomenon of ternary lithium battery pack is discussed in the form of overcharge test. The trend and time of thermal runaway of lithium ion power battery are predicted. Combining with the experimental phenomena， the early warning mechanism of thermal runaway process is designed. Then a set of early warning control system is designed based on ABB AC 800M， and half of the system is passed. The effectiveness of the early warning mechanism is verified by the simulation test on the physical simulation platform. By providing drivers with early warning information of thermal runaway， the early warning mechanism ensures passengers'escape time under dangerous conditions and provides security for the safe operation of electric vehicles.

关键词：锂电池;热失控;预警机制;半实物仿真

Key words： lithium battery;thermal runaway;early warning mechanism;hardware-in-the-loop simulation

0  引言

锂离子动力电池作为新能源汽车的关键组成部件，其储能问题是限制新能源汽车发展的主要障碍，决定着新能源汽车的安全稳定发展。如何对锂离子电池的运行状态进行监控，判断锂离子电池包是否发生热扩散的严重危害性事件，保障新能源汽车的安全运行，是目前锂离子动力电池安全管理系统的主要研究目标。

1  锂电池热失控概念

锂离子动力电池的热扩散反应是指电池在使用过程中，由于产热量严重超过散热量，而导致电池温度急剧升高，最终引起电池失效的一种形式。

2  热失控机理及过充状态下失控过程分析

2.1 热失控机理

热失控主要是由于电池内部温度上升，SEI膜的分解速率超过形成速率，使得内部自反应速度增大，加快电池内部热量积累，最终电池正极、负极及电解液发生連锁反应，从而导致电池内部温度急剧上升，引发热失控。因此，判断热失控的温度临界点和预测热失控发生时间，是监控热失控的主要方式。

2.2 过充状态下热失控过程分析

根据电池包实际使用情况，选取电流2.0C对电池包进行过充试验，结果如图1所示。

由图1可知，当经过半小时2.0C充电后，电池达到满电状态，进入过充阶段。电池在达到F点80℃后，温度会接着电池温度变化率会明显加快，并最终达到最高温度G点561℃。这是因为电池先正常充电，当电池电量达到100%之后进入过充阶段，锂离子被还原成金属锂。在80℃后，金属锂会急剧增加，再堆积成锂枝晶，锂枝晶在过充过程中会不断成长并生出很多枝梢，一定规模后便会刺破隔膜致使电池内部发生短路现象，瞬时放出大量热量，产生大量气体，导致电池热失控。因此，可以将F点最为电池包热失控的拐点，认为电池包在80℃后，内部开始出现短路现象，反应性质发生变化，导致热失控进入不可逆阶段。

3  预警机制设计

根据锂电池热失控机理及实际试验经验，分析热失控发生的反应条件，设计热失控预警机制，基于ABB AC800M搭建热失控预警系统，并通过Matlab Simulink搭建仿真模型，验证预警系统的有效性。

3.1 预警方式分析

通过分析锂电池热失控反应机理，可以将80℃作为热失控的标志性信号，在预警系统检测到电池包内部电芯温度达到80℃后，立即启动电池包热失控预警系统，并根据采集到的温度值和变化速率计算电池即将要发生热失控反应的时间。具体控制流程图如图2所示。

3.2 预警系统设计

根据热失控预警机制，基于ABB AC800M型号的PLC设计出一套热失控控制系统，通过监控设备和热电偶等传感器设备，将控制信号传递至PLC中，PLC进行信号处理后，判断是否发生热失控，并根据采集信号的编号速率计算热控制发生时间，然后将预警信号传递至上位警报系统，提醒司机及乘客进行安全撤离，保障人身财产安全。

热失控控制系统结构及热失控预警控制程序如图3和图4所示。

3.3 预警系统验证

由于锂电池的热失控试验具有一定危险性，且锂电池包直接试验成本较高，本文基于Matlab Simulink搭建锂电池包仿真模型，通过OPC通讯，搭建半实物仿真平台，进行热失控仿真试验，验证预警机制的有效性。

3.3.1 电池热失控模型

通过分析锂电池结构和热扩散反应机理，可将锂电池包分解为多个电池单体的结合体进行分析。而锂电池包热失控发生阶段，通常是由于内部某一电芯单体发生异常反应，进而逐渐影响临近电芯单体，并最终扩散至整个电池包。 因此在搭建数学模型时，应先将电池包简化为一个失控电芯、三个正常电芯、BMS与冷却系统四个模块，然后使用机理建模与外特性曲线相结合的方式，基于Matlab Simulink建立复合数学模型。

锂电池包模型以输入电流和外部温度作为输入量，并添加PLC通讯单位代替BMS进行联合控制，然后通过OPC通讯，将各单体的电流、电压及温度等数据传递至BMS管理系统，建立半实物仿真模型，实现电池包模型的实时监控，对预警系统进行验证，具体模型如图5所示。

3.3.2 电池热失控预警系统仿真验证

根据锂电池包仿真模型和PLC搭建半实物仿真平臺，并选取过充方式进行锂电池热失控仿真实验，验证预警机制的有效性。

试验过程中，通过模拟过充工况，实现锂电池包热失控现象仿真，并根据试验过程中采集的电池失控单体的温度和上位仪表盘显示时间，得出模拟试验数据，绘制温度-失控时间曲线，如图6所示。

通过图6可以看出，在80℃时，上位界面开始输出报警信号，并显示热失控预警时间，随着检测到的温度不断上升，上位界面输出的热失控预警时间不断减少，并在温度到达300℃时，判断出锂电池进入温度骤变区，即将发生热失控。试验证明预警系统可以根据采集到的电池包内部单体电芯的温度变化，向司机实时反映电池包实际运行情况，并及时输出报警信号，为乘员提供足够的逃生时间，保障乘员的生命安全。

4  总结

本文通过分析锂电池热失控概念，深入分析了锂电池热失控机理，并结合锂电池热失控实际案例，设计出锂电池预警机制，并基于ABB AC800M搭建出一套锂电池控制系统;基于Matlab搭建了锂离子电池包热失控仿真模型，利用OPC通讯搭建半实物仿真平台，并选取过充方式进行仿真验证，结果表明预警系统可以根据探测电池包内部单体温度变化，及时为驾驶员提供报警信息，保证了危险状况下乘客的逃生时间，为电动汽车安全运行提供了保障。

参考文献：

[1]廖正海，张国强.锂离子电池热失控早期预警研究进展[J/OL].电工电能新技术：1-6[2019-08-31].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2283.TM.20190108.1637.006.html.

[2]刘敏，陈宾，张伟波，陈晓宇，蒋旭吟.电动汽车锂电池热失控发生诱因及抑制手段研究进展[J].时代汽车，2019（06）：87-88.

[3]吴唐琴.锂离子电池产热和热诱导失控特性实验研究[D].中国科学技术大学，2018.

[4]秦李伟，赵久志，吴国辉，吴飞驰.动力电池热失控方法研究[J].汽车实用技术，2016（10）：13-16.

[5]陈天雨，高尚，冯旭宁，卢兰光，欧阳明高.锂离子电池热失控蔓延研究进展[J].储能科学与技术，2018，7（06）：1030-1039.

[6]杨晖.锂离子电池热失控机理研究[A].中国硅酸盐学会固态离子学分会.第17届全国固态离子学学术会议暨新型能源材料与技术国际研讨会论文集[C].中国硅酸盐学会固态离子学分会：中国硅酸盐学会，2014：1.

[7]邓原冰.锂离子动力电池热失控及其预警机制的试验与仿真研究[D].华中科技大学，2017.

[8]齐创，朱艳丽，高飞，王松岑，杨凯，聂建新，焦清介.过充电条件下锂离子电池热失控数值模拟[J].北京理工大学学报，2017，37（10）：1048-1055.

[9]张青松，姜乃文，罗星娜，曹文杰.锂离子电池热失控多米诺效应实证研究[J].科学技术与工程，2016，16（10）：252-256.