高安全动力电池关键技术研究★

凌阳阳， 韦映竹， 李 彬， 黄祖朋， 邵 杰

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心， 广西 柳州 545007）

引言

电动汽车因其使用成本低、通行便利、场景多样化等优势赢得众多消费者的青睐，市场占有率不断提高，产业化不断加深。然而，即便目前电动汽车的各项技术逐渐成熟，但是动力电池的安全性仍然是电动汽车行业持续且无法回避的问题。据不完全统计，2016年至2020 年8 月电动汽车火灾事故达135 起，事故原因大致为充电过程起火、碰撞起火、搁置起火、自燃、零部件老化等[1-2]。动力电池安全问题突出，对于电池厂、主机厂都是亟待解决的问题。

1 动力电池热失控

热失控是由于电池材料的热分解而产生的。由于热失控会散发出大量的热量和气体，从而引起电池着火和爆炸[3]。简单来说，当电池的温度达到一定程度，就会产生连锁反应，表现为温度急剧上升，温度最高可达上千摄氏度，造成热蔓延，进而演变为热失控、起火。电池热失控一旦发生，对车辆用户的财产以及生命安全都是较大的威胁，因此2020 年汽标委修订的GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》要求电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5 min，应提供一个热事件报警信号。

2 动力电池热失控诱因

2.1 机械滥用

机械诱因有碰撞、挤压、针刺等，这些都会给电池形状或者本体带来损坏。实际使用过程中，车辆碰撞后动力电池失效的案例极少，但是对于一些动力电池布置在底盘且缺少动力电池保护板的车辆来说，如图1 和图2 所示，底部磕碰、尖物刺穿导致动力电池组进水、绝缘失效等引起动力电池失效的概率较大。

2.2 电滥用

电诱因有电池内短路、过充电、过放电等。随着动力电池相关技术逐渐成熟，目前一个功能正常的电池管理系统在大多数情况下都能够实现有效的充放电管理，避免电池功率滥用带来的不可逆影响甚至热失控。同时，为了预防电池过充，目前市场上的大部分快充桩已经配置了SOC 达到限制值终止充电的功能。

2.3 热诱因

热诱因主要指电池过温、热量累积，导致电池出现热失控。整个电池的热失控，必然会伴随热诱因，所以机械滥用、电滥用和热诱因三者互相关联[4]。

2.4 电芯自身质量问题

电芯自身质量问题，如下页图3 所示，制造过程中混入金属杂质、极片毛刺、隔膜粉尘、电解液不均等，在电池后续使用的过程中有可能会出现内部短路，由单个电芯失效导致整包的热失控。2020 年10月28 日，国家市场监督管理总局官网显示，某车企向市场召回部分电动汽车，原因为电芯供应商在生产过程中混入了杂质，导致动力电池产生异常析锂。

3 热失控抑制技术

通过剖析电池包热失控的原因，从设计端尽可能做到有效预防热失控以及控制热失控。

3.1 电芯设计

锂离子电池主要由正负极、隔膜、电解液等组成。电池内短路指的就是正负极直接连接，形成放电回路，在电芯制造的过程中，需要严格管控极片毛刺、粉尘、金属异物等，严格的生产管控可以有效避免因内短路引起的热失控。隔膜的安全性和热稳定性是由隔膜本身的性质决定的，主要取决于其折断温度和破裂温度两个值，需要综合该两个值选择合适的隔膜材料，避免温度过高，隔膜收缩，造成短路。电解液方面，可以通过添加电解液添加剂如单甲氧基苯类，单甲氧基苯类，磷酸三甲酯，烷基磷酸盐等，改善SEI 膜性能，保护正极活性物质，提高过充安全性以及增强阻燃性等[5]。

3.2 模组设计

模组是由多个电芯串并连接形成的一个模块。电芯需要工作在适宜的温度，这就要求模组在热量传导方面，既要具备良好的热传导面，又要满足隔热的要求。如图4 所示，通过在电芯之间增加隔热材料，如气凝胶、防火泡棉、云母片等，形成一堵防火墙，降低失效电芯与相邻电芯的热传导效率，减小相邻电芯次第失效风险，有效抑制热失控的发生。

3.3 PACK 结构设计

在PACK 结构设计上，壳体、支撑件、连接附件的机械强度足够，可以避免机械形变带来的安全问题；采用均匀分布的结构通道，通过泄压阀设计，让热量分摊并顺利排出，可以避免热量累积出现起火甚至爆炸[6]；增加冷却喷淋系统，当出现单只电芯失控时，迅速开启喷淋系统降温，也可起到延缓电池起火的时间[7]。此外，Pack 的防护性能要求达到IP67，从而避免因进水进尘导致短路而出现热失控。

3.4 电池管理系统设计

基于电池管理系统设计的安全策略是一种主动的安全手段。主要作用是提前预警和主动检测保护。提前预警分为车端提前预警热失控和大数据提前预警风险电池。车端提前预警主要是通过BMS 持续检测电池的单体电压、温度、气体浓度、压力等的变化，判断电池包出现热失控的可能性，并提前在车端提示用户。大数据预警指的是利用车辆一段时间内的运行数据，分析电池的健康情况，包括是否存在突然的内阻增大、单体离群等，提前识别高风险电池，主动更换。主动检测保护主要针对具备自动灭火装置的动力电池，当电池管理系统识别到电池包存在热失控时，主动开启喷淋系统，对失效部位进行降温处理，从而抑制热失控。

4 结语

本文从理解动力电池热失控的机理，明确诱因，系统地认识动力电池安全设计要素出发，浅谈行业内预防电池热失控的关键技术，后续将会继续进行相关设计验证的研究，切实保障动力电池的安全。相信随着电池技术的不断成熟，消费者对动力电池的信赖也会不断提高，电动汽车势必成为未来出行的不二选择。