雷洪钧博士专栏：电动汽车安全与动力电池热管理

电动汽车安全，目前主要是关注动力电池的安全，而动力电池的安全，主要关注动力的电池热管理。笔者关心的问题：

1.热管理要消耗能量，动力电池要分一部分能量，对续航里程有多大影响？

2.热管理是一个控制系统，如果控制对象，不接受管理，如何办？

3.热管理能保证动力的安全吗？

一、动力电池国内起火的基本特征

根据欧阳明高院士的报告，动力电池国内起火的基本特征：

(1)发生事故的主要是前几年装的车;

(2)圆柱形电池为主，这是其中一个比较主要的类型；

(3)三元电池超过一半的比例；

(4)发生事故大不分充电阶段。

a)圆柱电池单体b)圆柱电池模组c)圆柱电池汽车

按照日本管理大师石川馨先生的鱼骨图(Fishboneanalysismethod)法分析，可以归纳出这样一个基本结论：前几年装的车圆柱形三元电池在充电环节，发生事故概率比较大。在这个结论的基础上，再分析：

(1)前几年装的电池发生事故概率比较大，言下之意，目前和今后生产的电池安全性已经好多了。第二个意思，中国动力的质量在一年一年的提升；

(2)车圆柱形电池发生事故概率比较大，言下之意，其他类型的电池，如方形、软包等发生事故概率比较小；

(3)三元电池发生事故概率比较大，言下之意，其他电池，比如磷酸铁锂，锰酸锂电池等发生事故概率比较小；

(4)充电环节，发生事故概率比较大，言下之意，其他环节，比如行车环节、非充电环节发生事故概率小。

经过以上收敛，动力电池起火的主要对象、环节已经找到，拿出可靠的措施，主要问题解决到位。

二、主要安全性问题解决措施

(1)提高产品生产过程的质量把控。主要措施，提高动力电池单体、电池PACK生产线自动化水平；

(2)提高方形、软包电池装车规模；

(3)在安全性要求比较苛刻的车型，多用磷酸铁锂，锰酸锂电池；

(4)在充电环节，原则上以慢充为主，严格把控快充的前布置条件和门槛。

目前纯电动公交车安全性已经得到明显改善。主要措施，使用磷酸铁锂，锰酸锂电池，严格把控快充的前布置条件和门槛。公交车每天运营里程在200公里以内，加上磷酸铁锂，锰酸锂电池比能量还在稳步提升。

基本结论是，我国纯电动公交车的安全性和里程指标得到满足。

三、只有用三元电池，才能提高续航里程，安全性如何保证？

三元电池单体比能量已经实现304Wh/kg，系统比能量可以实现260Wh/kg。目前国内三元电池基本不采用圆形包装。汽车要用三元电池是基本趋势，保证安全是基本要求，乘用车、轻型车市场要求电动汽车能快充。但安全如何保证？

(1)锂离子电池热失控的基本原因

(a)电池，如果放电到一定深度之后不会热失控。这个结论，许多人不知道。言下之意，动力电池不能过充，不顾电池状态，追求快充，是十分危险的。动力电池处于比较深度放电状态，是大概率事件。于是结论是，合格的汽车动力电池，总是安全的

(b)热失控一般都是在满电状态，所以在充电的时候容易引起火。这个结论太重要了。言下之意，充完电，接下来开车，动力电池的电量是会下降的，其安全性是越来高。

基本结论，动力电池热失控与电池比能量电池高低，没有必然的因果关系。

四、动力电池为什么热失控呢？

电池温度到达一定时候电池就会有连锁的负反应，放热的反应，所以温度快速上升，最高的速度可以达到每秒钟温升接近1000度，所以它的速度是非常快的。

接近温升1000度，为什么就失控了？动力电池有四种基本材料，一是正极材料；二是负极材料；三是隔膜材料；四是电解液。

(a)正极材料是什么，其功能、性质

正极使用的金属的氧化物，如钴酸锂或者是锰酸锂，磷酸铁锂等。正极材料涂覆在铝箔上。

(b)负极材料是什么，其功能、性质

负极主要是用的石墨，是碳的一种。负极材料涂覆在铜箔上。

(c)隔膜材料是什么，其功能、性质

隔膜材料主要是聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）为主的聚烯烃（Polyolefin）类隔膜，如聚酯膜（PET）、纤维素膜、聚酰亚胺膜（PI）、聚酰胺膜（PA），氨纶或芳纶膜等等。通俗地理解是塑料薄膜。耐温在160度以下。

(d)电解液是什么，其功能、性质

电解液添加剂是一些天然或人工合成的有机或无机化合物，一般不参加电解过程的电极反应，但可以改替电解质体系的电化学性能，影响离子的放电条件，使电解过程处于更佳的状态。

一句话，动力电池材料里面有天然或人工合成的有机，如塑料薄膜、电解液添加剂，耐温不高。也就是说，当动力电池温度搞过200度，里面材料薄膜、电解液添加剂自己会燃烧的，一旦扩散，速度相当快，动力要么不起火，一旦起火，非常猛。

图7电池有四种基本材料

五、动力电池起火，热源哪里来？如何控制？

动力电池是电动汽车动力源。动力电池是电源系统。基本可以归纳出动力电池起火，热源是电源系统内部或者外不负载短路，电能的急剧释放，表示形式的发热，温度升高，导致可燃物起火。一旦起火，表明热失控。

(a)负载短路控制。目前负载短路控制技术基本成熟。基本措施是对负载进行分级（分路）控制，集中管理，在电动汽车上主要由高压开关盒，在电源正极、负极设有开关控制。

(b)动力电池内部短路（这个里说的电池包内部）。说得更具体一点，单体电池内部的短路控制。电池内部为什么会短路呢？

(i)电池正负极之间是塑料薄膜。锂离子通过这个薄膜来往摇曳于正负极之间，可以理解，这个塑料薄膜对正负极而已是绝缘的，而对锂离子而已是有空的。

(ii)如果这个洞远远大于锂离子的要求，塑料薄膜绝缘就起不到绝缘的作用了。正负极就会短路，一有短路，就发热；热扩散了，温度就高了，塑料薄膜会燃烧；塑料薄膜一旦燃烧，正负极短路越严重。其后果不堪设想。

六、如果控制电池单体内短路呢？

(1)快速充电是有条件的。锂离子电池在高温下长期存储性能会严重衰减，长期存放的电池，再次使用时也不应直接采用。

(2)在条件允许的情况下，应减少快充的使用，尽可能选择小倍率充电。

(3)热失控发生起火时，电池单体上的安全保护装置应启动。

(4)锂离子电池最佳使用温度范围在0-45℃之间。这是热管理系统的任务。尤其是锂离子电池应控制充电方式（包括充电温度、充电倍率和充电电压），以保证安全。

(5)电池单体制造商在提供单体电池产品时，应提供温度-倍率-充电电压关系图，整车厂要根据电池单体规格书设计系统充电策略。

(6)电池和模组的包装应防水、防潮，避免挤压和损伤。

(7)在运输过程或者库存中，要避免日晒、雨淋和受潮。

七、热管理应该是电池管理系统的重要组成部分

动力电池必须要求配备电池管理系统。电池管理系统的基本职能确保动力系统安全、可靠、正常运行，动力电池基本功能有监视有关温度、电压、电流的动态变化，有对动力电池一致性维护的任务，过去的系统，没有动力电池热管理功能，以后要有热管理功能。热管理应该是电池管理的重要组成部分。要进行整合，要成为一个系统。电池管理系统对动力电池维护，也要提供管理功能。

八、动力电池热管理对安全极其重要

动力电池热管理工作不仅是技术层面的，同时也是用户层面的工作。动力电池热管理是电动汽车安全管理的最重要的一部分。

目前的困难是用户层面，如何进行热管理，还没有理论支持，也没有技术指导，比如如何对动力电源系统进行日常维护。同时要注意，不能认为电动汽车安全就是一个动力热管理。