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動(dòng)力電池安全迫在眉睫，看科技新銳芯鎂信如何破譯主動(dòng)安全難題

來(lái)源：中國(guó)能源新聞網(wǎng) 時(shí)間：2023-11-29 17:56

李斐

　　2023年麥肯錫發(fā)布中國(guó)汽車消費(fèi)者洞察報(bào)告，報(bào)告表明憑借在綜合性價(jià)比、智能化體驗(yàn)、原生電動(dòng)汽車平臺(tái)等多方面優(yōu)勢(shì)，新勢(shì)力車企贏得了消費(fèi)者的青睞，在網(wǎng)約車市場(chǎng)上替代燃油車普及化的局面已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，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(fèi)者購(gòu)買新能源汽車的前三大原因?yàn)槔m(xù)航焦慮、充電便捷性以及汽車的安全問(wèn)題。

圖1.麥肯錫中國(guó)汽車消費(fèi)者調(diào)研

安全設(shè)計(jì)策略或?yàn)楫?dāng)下動(dòng)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(xiǎn)，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(lái)看，純電動(dòng)車型的占比最大，達(dá)70%以上，混動(dòng)車型占17%。而車輛起火時(shí)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蚴嵌喾矫娴模瑱C(jī)械濫用、熱濫用、過(guò)充過(guò)放等誘導(dǎo)因素會(huì)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^(guò)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(gè)階段（見(jiàn)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(shí)刻監(jiān)測(cè)著電池的電壓、電流和SOC等狀態(tài)。盡管在第一階段會(huì)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(lái)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(cè)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€(gè)階段

　　事實(shí)上，最早被引入電動(dòng)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(jiǎn)單：電池燃燒往往伴隨著煙霧。但無(wú)論是三元鋰電還是磷酸鐵鋰，冒煙與產(chǎn)生明火的時(shí)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(huì)使密閉的電池包內(nèi)氣壓上升，采用氣壓傳感器監(jiān)測(cè)包內(nèi)壓力異常升高，以此來(lái)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(huì)導(dǎo)致電池包內(nèi)壓力持續(xù)上升，過(guò)大的壓力會(huì)對(duì)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(guò)一定值時(shí)，安全閥會(huì)打開(kāi)，釋放電池包壓力，這一過(guò)程持續(xù)的時(shí)間很短，這就導(dǎo)致——?dú)鈮簜鞲衅鞯男盘?hào)持續(xù)時(shí)間極短，在三元鋰電系體系，這一時(shí)間甚至不到2秒，而汽車在正常行駛時(shí)，經(jīng)過(guò)涵洞、兩車交會(huì)時(shí)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(huì)帶來(lái)氣壓傳感器的信號(hào)值變化，可能會(huì)與正常熱失控的信號(hào)模型產(chǎn)生重疊，誤報(bào)和漏報(bào)的概率便會(huì)增加。

　　除了關(guān)注信號(hào)的有效性，信號(hào)的時(shí)效性也是不可忽略的因素，信號(hào)本身的傳播速度是有限的，距離越遠(yuǎn)，則信號(hào)的時(shí)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(diǎn)關(guān)注的，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)由于動(dòng)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(hào)傳遞就會(huì)出現(xiàn)延遲，　電池模組的設(shè)計(jì)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(duì)于信號(hào)源的監(jiān)控往往無(wú)法采取最短距離的原則。封閉的電池包環(huán)境為氣體探測(cè)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(cè)試也表明（見(jiàn)圖4），氣體探測(cè)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(guó)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(cè)表現(xiàn)

合適的氣體監(jiān)測(cè)是熱失控預(yù)警的關(guān)鍵

　　盡管鋰電池在熱失控過(guò)程中會(huì)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^(guò)程中更早被釋放出來(lái)，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(cè)證明其濃度甚至超過(guò)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(cè)，首先二氧化碳并非易燃易爆氣體，探測(cè)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(guò)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(cè)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(jí)有待考量，因此，如果氫氣傳感器能達(dá)到車規(guī)級(jí)，將會(huì)是熱失控預(yù)警的一個(gè)突破口。而芯鎂信經(jīng)過(guò)大量的測(cè)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(hào)更加持續(xù)穩(wěn)定。

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

結(jié)語(yǔ)

　　電池安全問(wèn)題一直是新能源汽車的瓶頸，電池的燃燒、爆炸等問(wèn)題一直困擾著車企和消費(fèi)者，各大電池廠和車企也紛紛投入固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)以寄希望于該技術(shù)可以解決電池的安全問(wèn)題，但實(shí)際上，固態(tài)電池很難實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，且有很多科學(xué)及技術(shù)的基礎(chǔ)問(wèn)題尚未解決，界面問(wèn)題仍是全固態(tài)電池最難逾越的一個(gè)鴻溝，眼下只有把動(dòng)力電池主動(dòng)安全的策略設(shè)置得當(dāng)，才能在市場(chǎng)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(duì)：許艷