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動力電池安全迫在眉睫，看科技新銳芯鎂信如何破譯主動安全難題

來源：中國能源新聞網(wǎng) 時間：2023-11-29 17:56

李斐

　　2023年麥肯錫發(fā)布中國汽車消費者洞察報告，報告表明憑借在綜合性價比、智能化體驗、原生電動汽車平臺等多方面優(yōu)勢，新勢力車企贏得了消費者的青睞，在網(wǎng)約車市場上替代燃油車普及化的局面已經(jīng)成為現(xiàn)實，雖然燃油車在家用保有量上依然占據(jù)主流，但是新能源汽車也在逐年滲透。最新的調(diào)查結(jié)果顯示制約消費者購買新能源汽車的前三大原因為續(xù)航焦慮、充電便捷性以及汽車的安全問題。

圖1.麥肯錫中國汽車消費者調(diào)研

安全設(shè)計策略或為當(dāng)下動力電池安全首要防護(hù)衣

　　相比于燃油車，電池?zé)崾Э貫镋V的主要安全風(fēng)險，2011-2019年，全球新能源汽車起火事件有127起，從這些事故車輛的類型來看，純電動車型的占比最大，達(dá)70%以上，混動車型占17%。而車輛起火時的狀態(tài)分別是:行駛中(41%)、停放中(29%);充電中(19%)。具體到電池材料類型的話有三元鋰電池(61%)、磷酸鐵鋰電池(22%)、其他聚合物(17%);按照結(jié)構(gòu)形態(tài)分類，其中圓柱電池占比(44%)、方形電池(23%)、軟包電池(6%)等。造成鋰電池?zé)崾Э氐脑蚴嵌喾矫娴?，機(jī)械濫用、熱濫用、過充過放等誘導(dǎo)因素會導(dǎo)致電池內(nèi)部材料或結(jié)構(gòu)發(fā)生失效或者損壞，最終導(dǎo)致熱失控的發(fā)生?？梢酝ㄟ^潛在的熱失控現(xiàn)象進(jìn)行分析從而判斷電池狀態(tài)，這些潛在現(xiàn)象主要為出現(xiàn)電池容量衰減、功率衰減、電壓降低、異常溫升、內(nèi)部短路、內(nèi)阻增大、產(chǎn)氣。

圖2.鋰電池?zé)崾Э卣T因與現(xiàn)象

　　鋰電池的熱失控主要分為三個階段（見圖3），Te(人員逃離溫度)告訴我們有效的預(yù)警手段只能在第二階段以前。BMS電池管理系統(tǒng)時刻監(jiān)測著電池的電壓、電流和SOC等狀態(tài)。盡管在第一階段會出現(xiàn)容量衰減、內(nèi)阻增大等現(xiàn)象，但鋰電池的自然衰減與第一階段的現(xiàn)象高度重合，因此，使用BMS來做第一階段的預(yù)警非常困難，真正判斷電池是否發(fā)生熱失控，在第二階段監(jiān)測電池溫度的異常和產(chǎn)氣等行為是行之有效的手段，也是目前主機(jī)廠主要采用的預(yù)警方法。

圖3.鋰電池?zé)崾Э氐娜齻€階段

　　事實上，最早被引入電動汽車的熱失控預(yù)警傳感器是煙霧傳感器（氣溶膠傳感器），原因很簡單：電池燃燒往往伴隨著煙霧。但無論是三元鋰電還是磷酸鐵鋰，冒煙與產(chǎn)生明火的時間間隔都極其短暫，預(yù)警效果十分有限，因此，這一技術(shù)正逐漸被主機(jī)廠淘汰。工程師們發(fā)現(xiàn)，電芯在熱失控第二階段的大量產(chǎn)氣，會使密閉的電池包內(nèi)氣壓上升，采用氣壓傳感器監(jiān)測包內(nèi)壓力異常升高，以此來判斷電芯是否發(fā)生熱失控。但矛盾在于，如果電池包完全封閉，電芯的持續(xù)產(chǎn)氣行為會導(dǎo)致電池包內(nèi)壓力持續(xù)上升，過大的壓力會對電池包結(jié)構(gòu)造成損害，因此工程師們?yōu)殡姵匕O(shè)置了安全閥，當(dāng)壓力超過一定值時，安全閥會打開，釋放電池包壓力，這一過程持續(xù)的時間很短，這就導(dǎo)致——氣壓傳感器的信號持續(xù)時間極短，在三元鋰電系體系，這一時間甚至不到2秒，而汽車在正常行駛時，經(jīng)過涵洞、兩車交會時的伯努利效應(yīng)、非電池溫升導(dǎo)致的底盤溫度升高等都會帶來氣壓傳感器的信號值變化，可能會與正常熱失控的信號模型產(chǎn)生重疊，誤報和漏報的概率便會增加。

　　除了關(guān)注信號的有效性，信號的時效性也是不可忽略的因素，信號本身的傳播速度是有限的，距離越遠(yuǎn)，則信號的時效性越低。溫度作為熱失控第二階段的重要參數(shù)早期也是被工程師們重點關(guān)注的，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)由于動力電池模組的尺寸較大，熱失控發(fā)生的位置不確定，溫度信號傳遞就會出現(xiàn)延遲，　電池模組的設(shè)計要考慮容量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、熱管理、電氣性能等諸多因素，對于信號源的監(jiān)控往往無法采取最短距離的原則。封閉的電池包環(huán)境為氣體探測預(yù)警提供了絕佳的條件，戴姆勒電池研究院的鋰電池?zé)崾Э販y試也表明（見圖4），氣體探測的響應(yīng)值最為穩(wěn)定，響應(yīng)速度最快，可能成為熱失控預(yù)警的首選方案。

圖4.德國戴姆勒發(fā)布的不同傳感器在電池發(fā)生熱失控后的檢測表現(xiàn)

合適的氣體監(jiān)測是熱失控預(yù)警的關(guān)鍵

　　盡管鋰電池在熱失控過程中會產(chǎn)生氫氣、一氧化碳、二氧化碳、烷烴、烯烴、氟化物等氣體，但氫氣相比其他氣體，在電池?zé)崾Э剡^程中更早被釋放出來，氫氣具有所有氣體中最快的擴(kuò)散速度，且在熱失控產(chǎn)生的氣體中占比最高，檢測證明其濃度甚至超過40%，且它也是造成電池燃爆的元兇。為何不選擇一氧化碳或者二氧化碳探測，首先二氧化碳并非易燃易爆氣體，探測其濃度在安全考量上意義不大，其次一氧化碳雖然是易燃易爆氣體，但是在熱失控的過程中釋放的濃度較低，達(dá)不到爆炸下限，市面上的復(fù)合探測器普遍采用的是電化學(xué)原理的一氧化碳傳感器，其技術(shù)原理決定了其不耐高低溫、壽命短等，能否達(dá)到車規(guī)級有待考量，因此，如果氫氣傳感器能達(dá)到車規(guī)級，將會是熱失控預(yù)警的一個突破口。而芯鎂信經(jīng)過大量的測試表明，MEMS的熱導(dǎo)型氫傳感器完全可以滿足車規(guī)的要求，且相比氣壓傳感器，信號更加持續(xù)穩(wěn)定。

圖5.芯鎂信的車規(guī)級氫氣傳感器與氣壓傳感器在熱失控后檢測的表現(xiàn)

結(jié)語

　　電池安全問題一直是新能源汽車的瓶頸，電池的燃燒、爆炸等問題一直困擾著車企和消費者，各大電池廠和車企也紛紛投入固態(tài)電池的開發(fā)以寄希望于該技術(shù)可以解決電池的安全問題，但實際上，固態(tài)電池很難實現(xiàn)量產(chǎn)，且有很多科學(xué)及技術(shù)的基礎(chǔ)問題尚未解決，界面問題仍是全固態(tài)電池最難逾越的一個鴻溝，眼下只有把動力電池主動安全的策略設(shè)置得當(dāng)，才能在市場日益激烈的新能源賽道跑出不一樣的路。

　　責(zé)任編輯：江蓬新

　　校對：許艷