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特斯拉自燃的幕后黑手:说说锂电池热失控

北极星储能网  来源:2030出行研究室  作者:姚昌晟  2018/9/13 17:36:46  我要投稿  

北极星储能网讯:前言:ModelS的自燃不是孤例,随着新能源汽车的大规模推广,锂电池燃烧导致电动车自燃的新闻报道也越来越多。

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6月17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”。

来源:微信公众号“2030出行研究室” 作者:姚昌晟

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特斯拉电池自燃 来源:CNN报道转发的车主twitter

在五年前的2013年10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,锂电池燃烧导致电动车自燃的新闻报道也越来越多。

而之所以锂电池能烧起来、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电池的开放系统需要输入空气和燃油。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,这个难题也是一样存在。而当锂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。

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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,让整个电池组产生自燃。

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热失控链式反应的“多米诺骨牌”

这样一堆专业名词如果看起来不好懂的话,那容我做一个类比,请看下图——

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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产生的辐射引燃的——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,产生裂变所爆发的——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样导致了电池热失控的发生,进而酿成自燃大祸。

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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。

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发生于2013年的特斯拉首例公开报道的自燃事件

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,进而产生大量气体,气体在电池包内部会使得电路频繁通断进而产生电弧。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。

2012年,飓风桑迪引起海水倒灌,停在海边的FiskerKarma电动跑车被海水浸入后烧毁大半

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3月在泰国曼谷的保时捷Panamera PHEV充电起火乃至烧毁住宅;今年7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。

2015年,挪威,充电中一辆特斯拉ModelS自燃;2018年,泰国,夜间充电自燃时一辆保时捷PanameraPHEV自燃。

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产生作用,导致电池温度过高,进而引发热失控,造成了车辆自燃。

2008年,改装普锐斯自燃

▍如何避免热失控?

热失控的诱因是多元的,为此需要做出多重的预防措施,来避免热失控的发生。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一样的,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,都需要算法进行估计,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(State of Charge)、SOH(State of Health)、SOP(State of Power)和SOE(State of Energy)等状态的高精度联合估计。

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电池状态联合估计算法拓扑图

电池状态的精确估计,有助于实时监测电池的充放电状态,避免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,如果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,避免自燃。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案,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。

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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避免热失控的基本要求,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。本文不再详述。

▍小结

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。小到三星手机,大到特斯拉汽车和波音飞机,都可能发生锂电池的热失控。


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