袁格年　周健　付一民　盛軍　李彥良　辛雨　馬凱

摘 要：安全性能是動(dòng)力電池設(shè)計(jì)核心關(guān)注性能之一。根據(jù)電池?zé)崾Э丶皞鞑C(jī)理，針對(duì)可能存在的熱失控?cái)U(kuò)展路徑，在某電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了主回路熔斷器防護(hù)，采集回路過(guò)流防護(hù)，安全爬電距離、電氣間隙設(shè)計(jì)，分布式單體外短路保護(hù)設(shè)計(jì)等電氣方面安全措施；采用了多維模組熱擴(kuò)展結(jié)構(gòu)防護(hù)，阻燃材料應(yīng)用等結(jié)構(gòu)方面安全措施；采用了透氣防爆裝置，主動(dòng)滅火裝置等主動(dòng)安全措施。各方面安全措施的應(yīng)用提高了動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性能，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了安全性能的有效提升。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；熔斷器；熱失控；熱擴(kuò)展；主動(dòng)安全

1 引言

新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，自2014年產(chǎn)量大幅上升達(dá)到84900輛，2015年猛增至37.9萬(wàn)輛；2016年累計(jì)生產(chǎn)新能源汽車51.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)36.4%。動(dòng)力電池作為新能源汽車核心零部件，其發(fā)展緊隨整體市場(chǎng)趨勢(shì)。從動(dòng)力電池歷年出貨量看，2015年開始動(dòng)力電池跟隨新能源汽車產(chǎn)銷量崛起，從2014年的3.7Gwh的出貨量躍居至2015年15.7Gwh，同比增長(zhǎng)超過(guò)3倍。2016年1-10月有產(chǎn)量的新能源汽車搭載電池總量達(dá)13.9Gwh，與去年同期相比增長(zhǎng)78%，與去年全年動(dòng)力電池出貨量相差無(wú)幾。

隨著電動(dòng)汽車的存量增加，電動(dòng)汽車安全事故明顯增多，成為關(guān)注熱點(diǎn)；據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)研究成果《電動(dòng)汽車安全報(bào)告》不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年發(fā)生電動(dòng)汽車安全事故14例，而2016年發(fā)生35例；這些發(fā)生的安全事故中，動(dòng)力電池?zé)崾Э匾鸬氖鹿收急茸畲?。?dòng)力電池?zé)崾Э匕踩夹g(shù)研究引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛重視。

在電池單體熱失控安全技術(shù)方面，發(fā)展出如下技術(shù)方面突破：電解液改進(jìn)[1]，正極材料改進(jìn)[2]，隔膜改進(jìn)[3]，表面包覆[4]，泄壓閥及PTC電阻[5]等。在電池成組熱失控方面，國(guó)內(nèi)外主要在如下方面展開研究：結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)[6]，BMS安全[7]，冷卻系統(tǒng)[8]，主動(dòng)安全技術(shù)[9]等。電池系統(tǒng)及成組結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)主要包括熱傳播阻斷設(shè)計(jì)，閥泄通道設(shè)計(jì)，PTC電阻及熔斷器設(shè)計(jì)等；BMS安全包括參數(shù)檢測(cè)，BMS均衡技術(shù)等；冷卻系統(tǒng)包括空氣冷卻，液體冷卻，相變材料冷卻等；主動(dòng)安全技術(shù)包括滅火，防爆設(shè)計(jì)等技術(shù)。

電池單體熱失控研究取得很大進(jìn)展，但國(guó)內(nèi)外仍時(shí)有安全事故發(fā)生。電池系統(tǒng)成組技術(shù)在其中的作用需進(jìn)行深入研究及實(shí)踐驗(yàn)證?；诖罅繜崾Э匕踩囼?yàn)及電池系統(tǒng)成組設(shè)計(jì)實(shí)踐，為解決電池?zé)崾Э匕踩珕?wèn)題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用了主回路熔斷器防護(hù)，采集回路過(guò)流防護(hù)，安全爬電距離、電氣間隙設(shè)計(jì)，分布式電芯外短路保護(hù)設(shè)計(jì)，多維模組熱擴(kuò)展結(jié)構(gòu)防護(hù)，透氣防爆裝置，主動(dòng)滅火裝置等結(jié)構(gòu)、電氣、主動(dòng)安全措施。通過(guò)大量安全措施的研究及應(yīng)用，電池系統(tǒng)安全性能得到大幅提升。產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，通過(guò)熱失控安全試驗(yàn)對(duì)安全性能進(jìn)行了驗(yàn)證，確認(rèn)了熱失控安全設(shè)計(jì)的效果。

2 熱失控及傳播原理

動(dòng)力電池?zé)崾Э乜捎蓡误w內(nèi)部因素及外部因素引起。內(nèi)部因素一般為過(guò)充、低溫充電、負(fù)極缺陷等導(dǎo)致負(fù)極形成的化合物穿透隔膜引發(fā)短路，或電池內(nèi)部雜質(zhì)刺穿隔膜引發(fā)短路等；外部因素包括正負(fù)極短路，大電流放電，高溫，擠壓、針刺等。由于單體內(nèi)部或外部因素的發(fā)生，電池單體溫度持續(xù)升高；以鋰離子電池為例，單體高于60℃時(shí)，SEI膜開始分解，全部分解后露出負(fù)極表面；隨著電池溫度的提升，電池隔膜高溫收縮，正負(fù)極活性物質(zhì)接觸，發(fā)生短路，瞬間釋放出大量的熱量。短路點(diǎn)高溫進(jìn)一步導(dǎo)致正極氧化物分解，釋放出游離狀態(tài)氧，并與有機(jī)電解液發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出更多的熱量，最終導(dǎo)致電池發(fā)生起火爆炸。

電池單體發(fā)生起火爆炸后，一方面通過(guò)模塊連接部分向其它單體進(jìn)行熱傳導(dǎo)，另一方面通過(guò)熱對(duì)流、熱輻射向其它單體進(jìn)行傳熱，模塊或電池系統(tǒng)的散熱裝置也將起到傳熱的作用；而單體的持續(xù)升溫將導(dǎo)致熱失控發(fā)生，從而熱失控從一個(gè)單體擴(kuò)展到其他單體。一個(gè)單體的熱失控短路將引起其它單體的外短路，而短路繼續(xù)引起其他單體溫度升高，從而引起單體的熱失控?cái)U(kuò)散。一個(gè)單體熱失控起火爆炸后的火焰和噴射出的內(nèi)部物質(zhì)將直接對(duì)其他單體產(chǎn)生瞬間加熱作用，造成其他單體的短路和溫度升高，從而引發(fā)熱失控。單個(gè)電芯的爆炸起火還有可能引起其他線束、覆蓋件的起火，從而再次引發(fā)其他電芯的溫度升高，發(fā)生熱失控現(xiàn)象，見圖1。

根據(jù)電池?zé)崾Э丶皞鞑C(jī)理，可提高單體電池性能，防止熱失控的發(fā)生；同時(shí)在成組技術(shù)方面可采取熱失控阻斷技術(shù)，在單個(gè)電池?zé)崾Э貢r(shí)不擴(kuò)散到其它單體。熱失控阻斷技術(shù)主要在熱傳播和擴(kuò)散的路徑進(jìn)行處理，以達(dá)到阻斷電池單體發(fā)生連鎖熱失控反應(yīng)的目的。例如阻斷或降低熱輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)對(duì)周圍單體的影響；使用散熱系統(tǒng)或主動(dòng)安全技術(shù)對(duì)單體進(jìn)行快速降溫；使用噴射導(dǎo)流技術(shù)防止噴射物對(duì)其他單體的影響；使用過(guò)流防護(hù)、短路防護(hù)、熔斷技術(shù)防止一個(gè)單體的短路影響其它單體；通過(guò)阻燃材料的使用防止單體周圍材料的燃燒引起單體熱失控連鎖反應(yīng)，通過(guò)對(duì)電氣件安全爬電距離，電氣安全間隙的設(shè)計(jì)防止外短路的發(fā)生等。根據(jù)引起熱失控的內(nèi)部因素和外部因素，可針對(duì)性的設(shè)計(jì)相應(yīng)防護(hù)措施，從單體-模組-電池包三個(gè)級(jí)別逐級(jí)控制，在熱失控傳播路徑上形成安全防護(hù)網(wǎng)，達(dá)到保證整車安全的目的，見圖2。

3 熱失控安全設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)

某動(dòng)力電池系統(tǒng)成組設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用多維模組熱擴(kuò)展防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效解決電池單體熱失控向外擴(kuò)展問(wèn)題?；趪娚鋵?dǎo)流技術(shù)，設(shè)計(jì)電池單體熱失控火焰噴出點(diǎn)熱擴(kuò)散防護(hù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)噴射導(dǎo)流裝置將熱失控散發(fā)的火焰及熱量導(dǎo)出到模組外部，并通過(guò)逐級(jí)降溫避免了噴出的高溫氣體和火焰等熱量傳遞到周邊電池單體，見圖3。

多維模組熱擴(kuò)散防護(hù)結(jié)構(gòu)在電池單體安全閥位置增加阻燃隔熱層，并在隔熱層中間設(shè)計(jì)一定間隙，單體熱失控后高溫氣體和火焰會(huì)通過(guò)隔熱層間隙導(dǎo)出到模組外部。由于隔熱層阻燃及隔熱作用，高溫氣體和火焰不會(huì)對(duì)周邊單體造成影響，避免了周邊單體熱失控條件的達(dá)成。阻燃復(fù)合材料的使用在熱擴(kuò)散防護(hù)結(jié)構(gòu)中起到關(guān)鍵作用，同時(shí)還廣泛應(yīng)用于動(dòng)力電池系統(tǒng)中，例如模組支承結(jié)構(gòu)，電池包上蓋，高低壓線束等。其中結(jié)構(gòu)件的阻燃等級(jí)100%達(dá)到UL94-V0等級(jí)；電氣件的阻燃等級(jí)均達(dá)到UL94的V-1等級(jí)以上，關(guān)鍵電氣件UL94-V0等級(jí)覆蓋率100%。通過(guò)阻燃復(fù)合材料的使用，不僅增加了動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性能，同時(shí)起到了輕量化的作用。通過(guò)阻燃復(fù)合材料的動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)用，電池系統(tǒng)整體降重10%。

3.2 電氣安全設(shè)計(jì)

電氣安全設(shè)計(jì)是電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)中最重要的部分，通過(guò)設(shè)計(jì)覆蓋整個(gè)電池系統(tǒng)的電氣安全防護(hù)體系，有效解決電氣安全問(wèn)題。首先，對(duì)電氣系統(tǒng)整體進(jìn)行電氣間隙及爬電距離優(yōu)化，為電氣奠定安全基礎(chǔ)；其次，在高壓安全方面，通在主回路中設(shè)計(jì)主熔斷器、主繼電器、模組過(guò)流保護(hù)、電芯過(guò)流保護(hù)等過(guò)流分級(jí)防護(hù)，消除因系統(tǒng)外部和模組與模組間短路失效造成的危害，有效防護(hù)高壓系統(tǒng)電氣安全；再次，防止因電池包浸水和采集回路導(dǎo)線及連接器失效造成的短路對(duì)電壓采集回路進(jìn)行傷害，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有電壓采集回路進(jìn)行保護(hù)。

3.2.1 電氣間隙及爬電距離優(yōu)化

電氣間隙和爬電距離是電氣安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，如果動(dòng)力電池內(nèi)部帶電部件與外殼之間距離過(guò)小，很容易造成短路或者擊穿，使動(dòng)力電池殼體帶電；如果不同電位的帶電部件之間電氣間隙或爬電距離過(guò)小，同樣可能造成短路引發(fā)火災(zāi)。動(dòng)力電池電氣間隙和爬電距離設(shè)計(jì)首先需要遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18384.1）進(jìn)行設(shè)計(jì)；在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還需根據(jù)環(huán)境因素所帶來(lái)的影響對(duì)電氣間隙及爬電距離的參數(shù)進(jìn)行修正，例如導(dǎo)體周圍絕緣材料電極化現(xiàn)象，以及導(dǎo)電部件之間或?qū)щ娏悴考c設(shè)備防護(hù)界面之間擊穿現(xiàn)象等。在某動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)模組及線束布置優(yōu)化，電氣間隙達(dá)到55mm以上，爬電距離達(dá)到200mm以上。

3.2.2 高壓系統(tǒng)安全

為解決高壓線路末端電池單體外短路問(wèn)題，進(jìn)行分布式外短路保護(hù)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要作用是防止系統(tǒng)濫用的情況下，外部短路電流對(duì)電芯進(jìn)行短時(shí)間大電流充電；該短時(shí)大電流充電將造成電池單體內(nèi)部熱失控，導(dǎo)致起火爆炸。通過(guò)在每個(gè)單體通電回路中串聯(lián)一個(gè)大電流通電熔斷裝置，當(dāng)單體外部由于其他保護(hù)元器件失效導(dǎo)致瞬間大電流通過(guò)串聯(lián)熔斷裝置的單體回路，熔斷裝置進(jìn)行動(dòng)作切斷異常回路，避免大電流破壞單體，造成單體熱失控的發(fā)生。

為防止主回路過(guò)載發(fā)熱和短路危險(xiǎn)，在電氣系統(tǒng)主回路中設(shè)置快速熔斷器，在熔斷器選型中考慮系統(tǒng)最大電壓峰值沖擊電流的頻率和時(shí)間等因素，保證產(chǎn)品生命周期內(nèi)不因?yàn)槠诶匣^(guò)早失效，正常工作時(shí)不發(fā)生誤動(dòng)作。主回路熔斷器的設(shè)計(jì)，達(dá)到了在主回路發(fā)生短路時(shí)電池單體不被損壞，以及導(dǎo)線煙化前進(jìn)行熔斷保護(hù)的目的。在熔斷器回路設(shè)計(jì)和布置過(guò)程中為降低摸組間短路發(fā)生的機(jī)率，將主熔斷器布置于模組串?dāng)?shù)的1/2處，見圖4。

3.2.3 低壓系統(tǒng)安全

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)需要對(duì)每一個(gè)單體電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，由于電壓采集線數(shù)量多，成線束后由于連接器失效、導(dǎo)線絕緣皮破損等問(wèn)題容易造成短路引起線路起火，另外，當(dāng)電池箱體密封失效時(shí)電池箱體內(nèi)部進(jìn)水也有可能造成短路，為防止電壓采集線的短路故障，在電壓采集線電源端設(shè)置采集線路過(guò)流防護(hù)熔斷器，當(dāng)發(fā)生上述故障時(shí)起到有效防護(hù)，見圖5。

3.3 主動(dòng)安全設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池系統(tǒng)使用環(huán)境/運(yùn)行工況非常復(fù)雜，安全性能可能遭受各種問(wèn)題的考驗(yàn)。電池包PACK 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，在這種環(huán)境下除非真空，否則正常工作中會(huì)發(fā)熱膨脹，這時(shí)需要平衡內(nèi)外氣壓，通過(guò)防爆閥應(yīng)用可解決以上問(wèn)題。在電池系統(tǒng)機(jī)械、電氣等安全措施失效時(shí)，可通過(guò)主動(dòng)滅火技術(shù)應(yīng)用，為乘客留出一定的逃生時(shí)間，甚至將較小火勢(shì)撲滅，防止熱擴(kuò)展的發(fā)生。

3.3.1 防爆裝置開發(fā)及應(yīng)用

防爆裝置的應(yīng)用能夠在達(dá)到IP67的防護(hù)等級(jí)和平衡內(nèi)外氣壓的基礎(chǔ)上大幅提升安全系數(shù)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主要是EPV防爆閥，其存在兩個(gè)問(wèn)題：一是透水氣：EPV防爆閥為透氣性防爆閥，防水等級(jí)為IP67，但是不能有效隔離水氣進(jìn)入電池包，容易造成電池包內(nèi)部零件腐蝕、電氣短路、絕緣阻值降低，報(bào)絕緣故障；二是防爆作用：EPV防爆閥爆破壓力為25-30KPa，而電池包滿足IP67要求的內(nèi)外壓差為10KPa，因此在電池包內(nèi)部熱失控后，密封失效和防爆閥爆破的順序有待驗(yàn)證。

為更有效防止電池包爆炸，開發(fā)設(shè)計(jì)利用簧片的彈性特點(diǎn)，根據(jù)爆破壓強(qiáng)設(shè)計(jì)簧片臨界反轉(zhuǎn)點(diǎn)的機(jī)械非透氣性防爆閥。防爆閥工作過(guò)程中存在3個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，分別是 原始狀態(tài)（A）、臨界狀態(tài)（B）、防爆開啟狀態(tài)（C）。在電池箱體內(nèi)氣壓增大時(shí)，當(dāng)壓強(qiáng)大于15kpa，防爆閥由A狀態(tài)開始啟動(dòng)，閥的開口面積與壓強(qiáng)成正比。隨著壓強(qiáng)進(jìn)一步增大，當(dāng)達(dá)到20kpa時(shí)，簧片位置已經(jīng)由原始狀態(tài)A點(diǎn)到達(dá)了臨界狀態(tài)B點(diǎn)，此時(shí)簧片瞬間反轉(zhuǎn)，到達(dá)防爆開啟狀態(tài)C點(diǎn)，閥的通氣面積瞬時(shí)增大，從而達(dá)到防爆的效果，見圖6。

3.3.2 主動(dòng)滅火裝置開發(fā)及應(yīng)用

動(dòng)力電池滅火技術(shù)是一項(xiàng)主動(dòng)安全技術(shù)，前期主要在大型客車及公交車上推廣，在新能源乘用車上尚未開始應(yīng)用。通過(guò)研究開發(fā)，將其在乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)中應(yīng)用。

主動(dòng)滅火裝置開發(fā)的核心是滅火材料的選用，決定最終滅火最終效果及裝置本身的輕量化、可靠性設(shè)計(jì)；本動(dòng)力電池滅火裝置采用清潔、無(wú)毒、可清理的滅火材料，該滅火材料不會(huì)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)造成破壞，經(jīng)過(guò)維修更換失火模塊后可動(dòng)力電池繼續(xù)使用；該滅火材料是無(wú)毒的，不會(huì)對(duì)乘客造成影響，也不會(huì)對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)造成污染；該滅火材料存儲(chǔ)有效期長(zhǎng)，穩(wěn)定性高，可保證電池系統(tǒng)生命周期不需維修更換。滅火裝置另一重要部分為火災(zāi)探測(cè)裝置，決定滅火裝置能否適時(shí)啟動(dòng)，及時(shí)滅火；本主動(dòng)滅火裝置采用多種火情探測(cè)機(jī)制，即使在車輛駐車斷電狀態(tài)仍可為動(dòng)力電池的安全性能提供保障，見圖7。

4 熱失控安全試驗(yàn)研究

動(dòng)力電池?zé)崾Э丶捌浒踩夹g(shù)發(fā)展很快，安全設(shè)計(jì)后其效果需實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)應(yīng)用了大量安全設(shè)計(jì)技術(shù)的某款動(dòng)力電池包，進(jìn)行熱失控安全試驗(yàn)，對(duì)比安全設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)際效果。為利于試驗(yàn)觀察及對(duì)比，針對(duì)未采取任何安全設(shè)計(jì)的模組和增加了安全設(shè)計(jì)的模組進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行熱失控試驗(yàn)，對(duì)比二者的差異。試驗(yàn)前將電池模組充滿電，按圖8的方式將電加熱電阻絲纏繞至最容易熱積聚的模組中間位置電芯上，直至電芯發(fā)生熱失控（溫度驟升同時(shí)伴隨電壓驟降以及起火現(xiàn)象），見圖8。

該模組采用的安全設(shè)計(jì)方案包括：使用了多維模組熱擴(kuò)展防護(hù)結(jié)構(gòu)，選用阻燃復(fù)合材料設(shè)計(jì)模塊支承架等結(jié)構(gòu)安全措施；同時(shí)設(shè)計(jì)了分布式熔斷裝置?？梢园l(fā)現(xiàn)未采用安全設(shè)計(jì)的模組持續(xù)劇烈燃燒，發(fā)生多次爆炸；而增加安全設(shè)計(jì)后的模組在強(qiáng)制同時(shí)加熱2支電芯至熱失控后，未產(chǎn)生熱蔓延，見圖9。

5 結(jié)論

電池單體熱失控研究取得很大進(jìn)展，但國(guó)內(nèi)外仍時(shí)有安全事故發(fā)生。電池系統(tǒng)成組技術(shù)在其中的作用需進(jìn)行深入研究及實(shí)踐驗(yàn)證?；诖罅繜崾Э匕踩囼?yàn)及電池系統(tǒng)成組設(shè)計(jì)實(shí)踐，為解決電池?zé)崾Э匕踩珕?wèn)題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用了主回路熔斷器防護(hù)，采集回路過(guò)流防護(hù)，安全爬電距離、電氣間隙設(shè)計(jì)，分布式電芯外短路保護(hù)設(shè)計(jì)，高阻燃材料應(yīng)用，多維模組熱擴(kuò)展結(jié)構(gòu)防護(hù)，透氣防爆裝置，主動(dòng)滅火裝置等結(jié)構(gòu)、電氣、主動(dòng)安全措施。通過(guò)大量安全措施的研究及應(yīng)用，電池系統(tǒng)安全性能得到大幅提升。產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，通過(guò)熱失控安全試驗(yàn)對(duì)安全性能進(jìn)行了驗(yàn)證，確認(rèn)了熱失控安全設(shè)計(jì)的效果。

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