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期刊导读

新能源汽车电池热失控火灾原因和防控措施

Causes and Prevention Measures of Battery Thermal Runaway Fire in New Energy Vehicles

胡超 HU Chao
(昆明市消防救援支队,昆明 650000)
(Kunming Fire Rescue Detachment,Kunming 650000,China)

摘要:从新能源电池技术的现状进行分析,研究新能源汽车动力电池热失控机理,总结热失控引发火灾的原因,通过对新能源汽车生产销售、使用和监管的现状调研,从加强源头管理、强化企业主体责任、深化事中事后监管等方面提出新能源汽车热失控火灾的防控措施。
Abstract: Based on the analysis of the current situation of new energy battery technology, the mechanism of thermal runaway of power battery in new energy vehicles is studied, and the causes of fire caused by thermal runaway are summarized. Through the investigation of the current situation of production, sales, use and supervision of new energy vehicles, the prevention and control measures of thermal runaway fire in new energy vehicles are put forward from the aspects of strengthening the source management, strengthening the main responsibility of enterprises, and deepening the supervision in and after the event.
关键词:新能源;火灾;电池热失控;原因分析;防控措施
Key words: new energy;fire;battery thermal runaway;cause analysis;prevention and control measures
  中图分类号:U469.72                                    文献标识码:A                                  文章编号:1006-4311(2021)01-0005-03

0  引言
近年来,随着国内外对环境保护、能源安全和技术进步等方面的不断重视,新能源的推广应用得到快速发展,内燃机在交通、生产、经营等领域的应用正逐渐被新能源所取代,我国作为能源消耗大国,也从国家战略、税费减免、财政补贴、产业政策等方面激励加速了新能源汽车的行业发展。据统计,2020年全国新能源汽车同比增长9.45%,总保有量超过420万辆,各居民小区、停车场、高速公路服务区等分散设有充电桩约480万个。在新能源汽车产业快速发展的同时,由于市场监管不到位、技术标准不健全、生产维修质量把控不严格、使用停放不规范等问题,各地新能源汽车火灾不断增加,2019年全国共发生新能源汽车火灾560余起,2020年前三个季度发生700余起,其中电池故障引发的事故占比为57%,因电池热失控的火灾占比约为29%。因此,有必要对电池热失控的原因进行分析研究,制定相应的防控对策,从而有效控制新能源汽车电池热失控火灾的发生。
1  电池热失控的主要原因
新能源汽车的动力由电池包提供,电池包由单个电芯通过串联再并联的方式(串联提高电压、并联提高电容量)达到车辆所需动力。
1.1 新能源汽车电池分类及其优缺点
新能源汽车的电池技术水平与汽车的安全、价格、寿命及性能成正比,且需满足循环周期、重量比能和性价比等参数,目前市面上常见的电池主要有铅酸电池、镍氢电池及锂电池三种(见表1)。

①铅酸电池:指正负极活性物质分别是铅和二氧化铅、由硫酸水溶液做电解液的二次电池,其优点在于电压稳定、价格低廉、维护简单,缺点在于循环寿命次数少、重量比能较低、体积较大、维护较频繁,目前铅酸电池在汽车领域的用途主要为汽车、摩托车启动、点火、照明电源,作为动力使用时主要适用在电动自行车、老年代步车等低速车型。
②镍氢电池:由氢氧化镍正极、储氢合金、电解质等组成清洁电池,镍氢电池拥有良好的过放电性能、过充电性能、机械抗性,泄压装置能有效避免电池“热失控”,大大降低了汽车工艺的安全成本。所以,虽然镍氢电池的重量比能低,作为汽车动力重量和体积较大,且自放电率较高(可高达35%)、有记忆效应等,但部分厂商在充分考虑安全性能的前提下,依然选择使用镍氢电池作为汽车动力,故本文不对镍氢电池的安全问题进行研究。
③与上述两种电池相比,锂电池是由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池,制造工艺更加复杂,其成本通常为铅酸电池的2~3倍,对电池管理、线路保护、过充保护、过放电保护等技术的要求较高,但由于锂电池具有电压平台高、体积小、重量轻、无污染、循环使用次数高、高低温适应性强和寿命长等优势,是当前新能源汽车的主要动力选择,本文将重点对锂电池进行研究。目前新能源汽车行业应用的锂电池主要为三元锂电池与磷酸铁锂电池,两者在具体应用中各有优势(见表2)。
1.2 动力电池热失控的主要机理
“热失控”是指电池内部发生放热连锁反应引起的电池温升速率急剧变化的过热行为,通常伴有电池冒烟、燃烧以及爆炸等现象。
1.2.1 铅酸电池发生热失控的主要原因
铅酸电池采用金属铅作负电极,二氧化铅作正电极,用硫酸作电解液,其电化学反应式为:
Pb+PbO2+2H2SO4■2PbSO4+2H2O
①电池失水:铅酸蓄电池的最基本原理之一就是正极板析氧以后,氧气直接到负极板与负极板的析氢还原为水,这种现象叫做“氧循环”,当电池因改造、外力破坏或本身质量等因素密封不严,会造成电池逐渐失水,失水后电池正负极间隔板收缩变形、内阻增大,导致电池充放电过程发热量增大,温度上升又会导致蓄电池析气量增大,正极析出的大量氧气一方面形成聚集,一方面继续发生“氧循环”产生热量,逐步形成恶性循环,最终造成铅酸蓄电池“热失控”。
②电池硫化:铅酸电池放电时生成硫酸铅,充电时硫酸铅还原为氧化铅,这一过程通常情况下循环可逆,但当电池中电解溶液的硫酸铅浓度过高或静态闲置时间过长,硫酸铅容易结晶,晶体再吸引周围的硫酸铅形成大的惰性结晶,从而破坏原本可逆的循环,导致电池充电发热、“氧循环”电流上升,所以硫化严重的电池,热失控发生的机率较大。
③过充和浮充(恒压小电流充电,目的在于弥补电池自放电和增加充电深度):当充电电压过高时,电池析气量大大增加, “氧循环”电流上升,同时也存在破坏正负极隔板的可能,从而热失控的概率大大增加。部分厂商为缩短充电时间,提高恒压转浮充电流(部分浮充电压超过单格电压2.35V),使得充满指示灯亮后还没有充满电,浮充阶段大量析氧,氧循环负荷增加,从而发生热失控。
④电池单元故障:以36V铅酸蓄电池为例,一组电池有3个单体电池,每个单体电池有6个单格(共18个),每个单格有15块(共270块)以上正负隔板,当任一单格或隔板出现问题,而充电恒压值不变时,其他部位的充电电压会相对变高,也会产生热失控问题。
1.2.2 锂电池发生热失控的主要原因
锂电池的工作原理本质上是锂离子在正负极的迁移过程,充电时,锂离子从正极脱出,通过电解液嵌入负极,这时负极处于高电位富含锂状态,正极处于低电位贫锂状态,同时电子由正极经由外电路流入负极。放电时与充电相反,锂离子由负极脱出,通过电解液嵌入正极,此时正极处于富锂状态,负极处于贫锂状态,同时负极电子由负极经由外电路流入正极。因此,锂电池充放电过程其实就是通过锂离子的脱嵌过程来实现电能和化学能的相互转化。当化学反应受到破坏后,会逐渐累积热量,最终造成热失控。
①电池质量问题:部分厂家生产工艺不过关,在正负极浆料制备、正负极涂膜、装配和化成等主要工艺过程中,如正负极涂膜工艺出现毛刺,如装配过程分切极片和隔膜后,采用卷绕/叠片形式加工过程中存在杂质或者枝晶等质量问题,都会降低电池的安全性,导致长期使用过程中温度上升,热量积累,造成隔膜穿孔,最终会形成锂电池的热失控。
②机械滥用:指电池或电池组因外力破坏,发生机械形变,生活中常见的情形如车辆碰撞,使得锂电池处于挤压、针刺状态,致使其发生机械形变,造成电池隔膜被刺破,引起电池内部短路,导致电池产生大量的热,电池内部温度急剧上升最终引发电池热失控。从国内已开展的动力电池针刺实验来看,其试验的某三元锂电池针刺后约2s即冒烟,随即发生爆炸燃烧;某磷酸铁锂电池针刺后约14s后冒烟并燃烧,可看出机械滥用的危险性极大。
③电滥用:指电池在非正常充放电过程引起电池隐患,最终引发电池热失控,主要包括电池内短路、过放电、过充电三种情形。
1)内短路是由于电池组隔膜损坏、电解质分布不均匀、卷绕/叠片时正负极错位或混入导电物质等因素引起的,发生内短路时电池正极活性氧化剂与负极还原剂在脱离原本稳定的化学反应和电化学反应,急剧发热进而发生燃烧、爆炸。电池内短路危害大、难以预测和分析,无法通过外部控制电路进行保护,同时高温、高阻容易造成电池组的连锁反应。
2)过充电是指在电池电压高于电池最大电压时,电流仍然注入电池,过充电时内部多余的能量会持续转化为热量,最终引发电池热失控。过充的情况比较复杂,主要受充电电流和初始SOC(荷电状态)的影响,以100%SOC为例,国内研究团队通过0.25C、0.5C、1C、2C、3C不同充电倍率进行过充试验,锂电池分别在12000s、5300s、2700s、1600s、1000s时电压和温度快速上升,CO和H2浓度急剧升高,最终发生了爆炸,温度高达400.0℃,可知电池过充时,电压越高发生“热失控”的速度越快。
3)过放电是指电池电压低于规定值后仍然持续放电,可能造成电池正负极调换,进而引起温度异常升高,引发电池热失控。以目前车用4.15V/32.5Ah动力电池为例,该电池放电截止电压为2.5V,当电池过放电至-18%SOC时,电池内部将发生不可逆的内短路现象,并随着过放电的程度越深,电池内部短路越严重,电池的损坏越严重,发生“热失控”的概率越高。
2  新能源汽车发生热失控火灾的主要原因
结合电池“热失控”机理,采用电池作为主要动力的新能源汽车发生电池“热失控”火灾的主要原因有:
2.1 机械损伤
汽车在发生交通事故、机械碰撞、机械损伤过程中,突破汽车电池保护装置,直接对电池组造成机械损伤,或因电池组振动、移位等,造成动力电池“热失控”进而引发火灾。
2.2 BMS调控失效
新能源汽车BMS(电池管理系统)正常情况下能有效调控整车电路及电池组的运行状况,对电池组总电压进行调控,通过对每个电池单元的均衡充电,能够有效防止电池单体的过充、过放电现象,并及时发现电池单元温度升高、电压、电流异常等问题。对此,当汽车BMS出现故障、失效等情况时,可能导致汽车在运行和充电过程中电池组总电压过高、过低,单体电池电压过高、过低,以及电池组温度过高、过低等问题出现后车辆依然持续运行、充电,进而导致单体电池或电池组因过充、过放电引发“热失控”。
2.3 生产、运用技术不匹配
在国家激励发展新能源汽车的背景下,新能源汽车制造商迅猛发展,但由于电池核心技术投入大,目前部分汽车制造商采用协议外包模式,将电池组制造外包电池制造企业进行生产后再进行整车组装,从而一定程度上存在电池技术与新能源汽车制造技术不匹配的问题,可能出现充电基础设施及终端用户使用认知与充电、放电参数存在偏差的情况,长时间运转后容易造成电池组电滥用发生电池组“热失控”。
2.4 非法改装
新能源汽车电池组的安装、测试、运行需要严格按照参数进行,但当前市场背景下,大部分电动自行车均存在非法改装电池组电压、违规压接电池组等现象,少数新能源汽车车主为经济实惠,脱离厂商维保进行改装、换装电池组,容易因改装、不安全换装造成电池组运行、充电参数违规,导致电池组发生“热失控”。
3  新能源汽车火灾的防控对策
针对当前新能源汽车电池“热失控”火灾的现状,笔者从消防监督管理和火灾防控的角度提出以下对策:
3.1 加强新能源汽车源头管理
新能源汽车目前作为国家重点推广行业,其安全问题涵盖公共交通和私人出行领域,既包括整车和动力电池产品技术问题,也包括充电基础设施、交通管理以及终端运用等安全问题。对此,国家工信、科技、发改及市场监督管理等有关部门应加强新能源汽车的源头管理,从充电管理、运营管理、车辆停放管理、车辆监控管理和检修保养等各个环节建立标准、规范,不断调整完善新能源汽车市场准入、生产和质量控制、售后服务、客户安全培训等制度,在全面提高电池组及整车产品质量的基础上,进一步加强新能源汽车消防安全宣传培训,提高新能源汽车行业整体安全水平。
3.2 强化新能源汽车厂商的主体安全责任
从新能源汽车制造企业出发,全面加强单位主体安全责任的落实。推动企业加大安全技术研发和应用投入,提高整车电气线路、电气系统、BMS管理系统和动力电池安全保护装置的整体安全性。督促企业加强产品安全功能宣贯,对充电操作、电池保养和故障排查等重点安全事项进行强制推送,加强客户对电路改装、电池改装等危险行为的认识。督促企业加强风险自查,定期对生产线、销售线及产品的问题反馈进行筛查,尤其是发现疑似电池故障、“热失控”等问题进行全面自查,根据法规进行召回或维修,及时发现产品设计缺陷,解决安全隐患。
3.3 强化新能源汽车厂商的事中事后监管
针对当前部分新能源车企盲目追求关键技术指标,对汽车产品安全性重视度不够的现状,国家有关主管部分应加大对新能源汽车制造业的事中事后监管力度。研究制定切实可行的安全性量化评价指标,重点整治违法改装、拆装、换装动力电池组等高风险行为,加大违规停放、违规充电、违规驾驶等行为的查处力度。有关部门应当加强对发生事故的车企的责任追究力度,通过责任倒查,及时发现企业管理、汽车生产销售及客户使用环节等存在重大风险,针对企业在研发设计、生产工艺、质量控制环节等存在的安全隐患,及时修订完善法律法规体系,加大违规企业的查处力度,提高违规成本。
参考文献:
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