鋰電池熱失控原因分析

(1)過熱觸發(fā)熱失控

導致動力電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設計的不合理，或者外短路導致電池的溫度升高、電纜的接頭松動等，應該從電池設計和電池管理兩個方面來解決?！　碾姵夭牧显O計角度，可以開發(fā)來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應；從電池管理角度，可以預測不同的溫度范圍，來定義不同的安全等級，從而進行分級報警。

(2)過充電觸發(fā)熱失控

“過充電觸發(fā)的熱失控”是指電池管理系統本身對過充電的電路安全功能缺失，導致電池的BMS已經失控卻還在充電導致的。針對這類過充電的原因，解決辦法首先是查找充電機的故障，這可以通過充電機的完全冗余來解決；其次是看電池管理合不合理，比如說沒有監(jiān)控每一節(jié)電池的電壓。

隨著電池的老化，各個電池之間的一致性會越來越差，這時過充就更容易發(fā)生。這需要進行整個電池組的均衡，來保持電池組一致性。比如采用“先并后串”這一最常見電池組組合方法的串聯的電池組，在解決單體一致性問題后，最好的情況是擁有與最小容量的單體一樣大的容量。有了這個一致性之后，容量回升了，同時也能防止過充。為了實現一致性，必須有一種方法對各個單體進行容量估計?？梢愿鶕潆娗€的相似性來進行全體電池組狀態(tài)的估計。也即是說，只要知道了其中一個單體電池的充電曲線，其他的曲線應該跟它是相似的。經過曲線變化，它們可以近似重合，曲線變化的過程中間的這些差異就很容易計算。根據一個單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法，就可以進行上文提到的一致性的均衡，當然這種算法的時間過長，需要進行簡化。

(3)內短路觸發(fā)熱失控
 
　　電池制造雜質、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內短路。這種內短路是緩慢發(fā)生的，時間非常長，而且不知道它什么時候會出現熱失控。若進行試驗，無法重復驗證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復由雜質引起的內短路的過程，都在研究當中。
 
　　要解決內短路問題，首先要找到產品品質好的電池廠商，選擇電池及電池單體容量；其次對內短路進行安全預測，在沒有發(fā)生熱失控之前，要找到有內短路的單體。這意味著必須要找到單體的特征參數，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內阻也是不一致的，只要找到中間有變異的單體，就可以將其辨別出來。具體而言，正常的一個電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，方程的形式實際上是一樣的，只不過正常單體、微短路的單體的參數發(fā)生了變化。可以針對這些參數來進行研究，看其在內短路變化中的一些特征。
 
　　其中特征之一就是內短路單體的電勢差，比較其內阻跟其他單體的差異。研發(fā)人員要利用模型來進行單體的辨識。在測出每個單體的電壓、電流后，利用這些數據再結合模型，就可以把每個單體的內阻預估出來。再把單體的參數全部預估出來后，根據參數的變化，便可以判斷其一致性是否發(fā)生了顯著性變化。
 
(4)機械觸發(fā)熱失控
 
　　碰撞是典型的機械觸發(fā)熱失控的一種方式。如果在實驗室進行碰撞的一個仿真，最接近的是針刺。通過對三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池進行針刺試驗，研究熱失控過程，發(fā)現磷酸鐵鋰電池在這個熱失控過程中沒有三元鋰電池放熱表現的那么劇烈。實驗表明，不同的材料在針刺的時候會有不同的反應，磷酸鐵鋰相對安全。解決碰撞觸發(fā)熱失控的辦法就是做好電池的安全保護設計。

一般而言，熱失控發(fā)生之后，會往下傳播。比如第一節(jié)熱失控之后會有傳熱，開始傳播，然后整組像放鞭炮似的一個一個接下來。針對這種傳播，可以建立一個模型，包含中間溫度升高率、化學能電能的產熱、傳熱對流等。整個熱電耦合的模型，可以用量熱儀來做一個相關的定量分析。有了傳播模型，研發(fā)人員可以設計如何來阻斷和抑制，這需要加隔熱層。但是，加隔熱層并不簡單，一方面加厚了體積大，另一方面隔熱層跟冷卻又是矛盾的。這些都是需要解決的問題?？傊?，在熱失控擴展和抑制方面，研發(fā)人員要從安全保護設計和電池管理兩個方面著手。