钜大LARGE | 点击量：667次 | 2022年04月08日
TSLA自燃的幕后黑手:锂离子电池热失控
热失控，是一个看起来陌生、但却与头条新闻和实际生活息息相关的概念。
在六月十七日，洛杉矶又有一辆特斯拉ModelS在路面自燃车底的锂离子电池组熊熊燃烧。这已经是特斯拉在进入2018年以来的第三场起火事故了。而面对这一新闻，公众的反应，早就没有特斯拉第一次着火时那样热烈。
在五年前的2013年十月，一辆特斯拉ModelS在道路上行驶时底部碰撞到了尖锐物体，随后向车主发出警告，车主逃车后，ModelS燃起熊熊大火。这一事件在当时引发了全球媒体的争相报道，特斯拉股价随之下挫逾6%。
这一次自燃事件发生后舆论的相对平静，大概是缘于这五年里，特斯拉的自燃事故已不再鲜见，消费者对原来这辆车是可能会自己烧起来的这件事情已经充分了解，心理预期管理好了，自然就见怪不怪。
当然，ModelS的自燃不是孤例，随着新能源汽车的大规模推广，锂离子电池燃烧导致电动汽车自燃的新闻报道也越来越多。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
而之所以锂离子电池能烧起来、烧起来这么危险，原因是在于它本身就是一个可以自行进行反应的封闭小系统，换言之，它是一个封闭能量球。不同于发动机或燃料动力电池的开放系统要输入空气和燃油。在这个小小的电池里，既有还原剂，又有氧化剂，那么当然既可以缓慢充放电，也可以激烈地燃烧起来。
所以一旦电池的管理不当，后果会是灾难性的即使是把电池放到太空里去，这个难题也是相同存在。而当锂离子电池一旦发生热失控，整个电池组能够释放出的能量是惊人的。由100节带电量100Ah的电芯组成的电池组，失控能量达到240000000J，约合57公斤TNT炸药。
电池组热失控能量极大
所以，电动汽车自燃的直接原因就是锂离子电池的热失控，我将它称为电动汽车安全的幕后黑手。
▍那么什么是电池的热失控呢？
所谓热失控，是由各种诱因引发的链式反应，发热量可使电池温度升高上千度，造成自燃。
一、热失控的链式反应，就好比多米诺骨牌
从电池电芯内的隔膜分解熔化，进而导致负极与电解液发生反应，随之正极和电解质都会发生分解，从而引发大规模的内短路，造成了电解液燃烧，进而蔓延到其他电芯，造成了严重的热失控，让整个电池组出现自燃。
热失控链式反应的多米诺骨牌
原子弹和氢弹的反应原理原子弹和氢弹的反应原理
上图是氢弹和原子弹的反应原理，这一过程大概可以描述为：氢弹是通过原子弹爆发出现的辐射引燃的原子弹是通过钚和铀原子核不断受到中子撞击的连锁反应，出现裂变所爆发的第一颗引发连锁的中子是由炸药点燃压缩核心而引发反应的炸药是点燃的。
这就好比整个电池包的燃烧是从一个模组蔓延开的而一个模组的燃烧是其中一颗电芯热失控导致的电芯的热失控又源于电解液和正负极的燃烧而电解液和正负极的激烈反应又要追溯到隔膜的反应而引发热失控最本源的诱因，则有三种。
二、热失控的诱因
热失控的诱因有三类，分别是机械电气诱因、电化学诱因和热诱因。
接下来，我们就以几桩案例，来看一看三种原因都是怎么样导致了电池热失控的发生，进而酿成自燃大祸。
热失控诱因
机械电气诱因，最著名的案例就是文章开头提到的特斯拉第一烧，车辆高速行驶中触碰的异物，直接导致了电池内隔膜崩溃，进而造成了电池内短路，短时间内引发了自燃，按驾驶者回忆，20分钟前车辆发出预警，车主逃生后火势迅速扩大将整个车辆烧毁。
电化学诱因，电化学诱因包括了过充放电、内短路等电滥用情况。部分自燃案例中，电池浸水也属于电化学诱因，这里案例也比较多。当电池包密封性不满足要求，在泡水后会发生电解水反应，进而出现大量气体，气体在电池包内部会使得电路频繁通断进而出现电弧。电弧会导致电池壳体的熔化并引燃电解液，从而造成热失控酿发自燃事故。2012年飓风桑迪引起的FiskerKarma泡水自燃，以及最近发生的力帆650EV暴雨后自燃，是这类诱因导致的类似案例。
电化学诱因中，过充放电也是电化学诱因，并且是危害极为严重的一个诱因。而它也是和电动汽车车主使用习惯最为相关的一个诱因，极为常见、危险。特斯拉、荣威、众泰等等电动汽车都曾在充电时发生起火。当电池过充电时，正极过渡金属溶解，负极析锂，电解液氧化分解，从而导致温度加速上升，电池膨胀直至破裂，内阻随之快速增大，进而发生热失控。以2016年特斯拉充电事故为例，当地过低的气温可能使得电池的状态估计与实际状态不吻合，进而发生了过充电的情况，导致自燃。过充电导致的事故案例在近年发生较多，例如今年三月在泰国曼谷的保时捷PanameraPHEV充电起火乃至烧毁住宅；今年七月在深圳的陆地方舟电动物流车充电起火引燃了旁边车辆。
热诱因，热失控最直接的诱因就是热诱因。例如在2008年美国公司CEPCI购买了一辆丰田普锐斯，并自行改装加入了电池，由于该公司改装没有符合电芯制造商A123的使用规则，车辆运行中热控芯片未出现用途，导致电池温度过高，进而引发热失控，造成了车辆自燃。
▍如何防止热失控？
热失控的诱因是多元的，为此要做出多重的预防措施，来防止热失控的发生。这就涉及到了电芯的设计和生产、电池管理BMS算法开发、电池包结构设计等多个方面的研究，全部展开讲过于庞杂，这里简单说一说在热管理软件层面怎么做，这是目前众多研究的重点，也是技术含量较高的一方面研究。
电池的状态和发动机是不相同的，有一些发动机易测量的变量，在电池这里并不容易估计。比如说燃油车剩余油量，很容易就可以通过油箱内的油的多少来读到，但电池的剩余电量(SOC)，则通常要使用算法来进行估计。除了电量之外，电池的实际输出功率、电池寿命等等，都要算法进行估计，这就使得电池管理策略(BMS)极为关键，而电池的热失控管理方法也属于BMS。
相关研究中，清华大学所开发的电池状态的联合估计算法，是在电池状态间相互耦合的关系基础上，同时估计电池的多个状态，包括SOC(StateofCharge)、SOH(StateofHealth)、SOP(StateofPower)和SOE(StateofEnergy)等状态的高精度联合估计。
电池状态的精确估计，有助于实时监测电池的充放电状态，防止过充放造成的热失控。
此外在另一项研究成果中，研究者通过状态估计与电池内短路模型的结合，可以有效识别是否发生了内短路，进而在热滥用发生之初，就对系统发出警告。从今年的众多过充造成自燃的事故来看，如何防止过充电，还有很多工作要做。
除此之外，如何隔离开发生热失控的电芯也是一个难题。当热失控发生，假如能够将发生问题的电芯或模组隔离开，就能够有效降低损失，防止自燃。同样是清华大学的研究者，对电池的热失控蔓延进行了研究，建立了一整套成熟的热扩散测试方法作为技术支持，并提出了电池包综合的热管理设计方法，包括了上表面连接汇流结构优化散热、下表面流道散热设计、电芯连接间隔面的隔热处理、以及电池包侧面布置半导体加热片的低温加热算法设计。这一系列设计保证了整个电池包有较为均匀的热状态，降低了热失控发生的风险。
围绕电池包综合热管理进行了全方位的立体设计
当然除了上述研究应用之外，电池包的设计制造自然是防止热失控的基本要求，相关措施包括改善电池包的框架设计，如降低电池包振动、防火层阻隔、加装钢板、防水防尘等等。
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