关于电动汽车锂电池热失控测控与防火技术研究

王宁 万春雨

摘 要：在电动汽车的应用中，如果锂电池出现了热失控情况，便很容易引发爆炸和火灾，进而造成严重的安全事故。若要有效防止此类情况的发生，确保电动汽车的安全性，就需要通过合理的测控方式对锂电池进行热失控测量与控制，使其产热速度不超过散热速度。基于此，本文就对其热失控的测控及其防火技术应用进行分析。希望通过本次的分析，可以为锂电池热失控情况的有效避免和电动汽车防火性能的提升提供科学参考。

关键词：电动汽车;锂电池;热失控测控;防火技术

前言：随着近年来节能环保理念的不断深入，电动汽车行业的发展十分迅速。但是在电动汽车的具体应用过程中，由于锂电池热失控问题所导致的火灾事故始终没有足够科学的应对措施。为实现此类情况的有效避免，在电动汽车的研发设计中，技术人员就需要对其锂电池热失控测控技术加以深入研究，并将相应的测控系统设置在电动汽车内，以此来实现锂电池热失控及其不良影响的有效控制，尽最大限度降低火灾事故的发生几率，提升电动汽车的防火性能。

一、电动汽车中的锂电池热失控与火灾发生机理分析

通过现有的相关研究可知，因为锂电池自身的热分解点比较低，所以在环境温度过高、机械撞击、持续性的大电流冲击、过充过放、散热不良等各种外部因素的影响下，如果其产热速度超过了其散热速度，锂电池温度便会出现持续上升的情况，在温度达到了某一数值的情况下，锂电池中的正极材料、SEI膜以及电解液俊辉出现热分解现象，此时便会有大量的热量产生，同时也会产生CH4、H2、HF以及CO等的小分子气体。随着这些热量与气体的迅速积累，锂电池中的材料分解反应速度也会进一步加快[1]。在这样的相互强化循环条件下，锂电池温度将会加速上升，進而出现热失控现象。一旦出现了热失控现象，锂电池内部的温度与压力将会在非常短的时间内达到极限，进而导致锂电池爆炸事故产生。在发生爆炸之后，锂电池内部的气体和电解液便会喷出燃烧，进而引发电动汽车火灾事故，造成严重的经济损失甚至人员伤亡。

二、电动汽车锂电池热失控测控系统设计与灭火技术应用分析

在对电动汽车中的锂电池热失控现象进行测控系统的设计过程中，其主要的目的就是热失控产生及其散热能力进行判断。如果可以在锂电池刚刚出现热失控时将散热装置启动，便可在温度相对较低的情况下进行强力散热。通过散热量的加大和散热时间的延长，便可让锂电池热失控进程得以中止，进而有效避免热失控所导致的火灾事故。以下是对本次所设计的电动汽车锂电池热失控测控系统具体设计及其灭火技术的应用所进行的分析：

（一）早期的热失控判断

通过相关的热失控试验研究发现，锂电池升温速度的具体变化趋势可以将其热失控进程准确地反映出来。所以在具体的测控系统设计中，可以将锂电池升温速度用作热失控表征的最佳判断指标。无论是何种原因所引起的热失控故障，锂电池温度都会呈现出迅速上升趋势。针对这一现象，在测控系统设计中，可对其温度测控网络进行科学建设，以此来实现锂电池热失控状态下温度升高速度变化率的科学计算，并将具体的计算结果作为有效依据，对其热失控进程进行科学判断，在锂电池发生爆炸之前尽可能争取更多的冷却时间[2]。下图是电动汽车锂电池热失控测控系统总体结构示意图：

在电动汽车中，其动力电池是通过若干个锂电池单体串联所组成的电池组。因此在其热失控测控系统中，主要借助于BMS温度采集单元来进行动力电池的监测和保护。通常情况下，一个BMU电池管理单元可以进行两个电池组的监测，而一个BMS温度采集单元中则含有两个及以上的BMU电池管理单元。具体监测中，主要对锂电池单体电压和温度等参数进行监测。在通过BMS温度采集单元进行了温度参数的采集之后，便会将获取到的数据传递给热失控判断单元，在接收到了相应的温度数据之后，判断单元便会对各个锂电池单体温度上升速率进行计算。因为BMS温度采集技术已经十分成熟，所以该系统具有非常好的可靠性。

具体测控过程中，只要发现有BMU电池管理单元中输出的温度上升速度增加，也就是温度上升速率超过零，系统便可立即作出锂电池热失控判断，并立即将冷却泵启动，实现冷却介质的及时泵送。与此同时，热失控电池组中的电磁阀也将会被接通，让冷却介质大量喷向发生热失控的电池组，进而达到快速降温的效果。这样便可让电池组热失控进程得以有效中止，防止锂电池爆炸事故出现。如果整个电动汽车中的多个锂电池组都出现了热失控故障，测控系统便会快速对所有电池组进行降温处理，以此来有效避免恶性事故的产生。

（二）冷却介质的合理选择

如果电动汽车中的锂电池组出现了热失控故障，其中便会有巨大的热量积聚。因此在测控系统冷却液的选择过程中，不仅需要使其具备足够大的流量，同时也应该确保其导热性足够好。通过这样的方式，才可以将锂电池中的大量热量快速带走，使其温度能够快速下降，以此来达到良好的热失控进程中止效果，尽最大限度避免由于锂电池组热失控故障所引发的电动汽车火灾事故。出于各方面因素的综合考虑，在本次所研究的锂电池热失控测控系统中，将乙二醇用作冷却介质，这样便可达到快速冷却的效果。

（三）灭火剂的合理选择

如果电动汽车中的锂电池出现了剧烈的热失控反应情况，测控系统的冷却能力无法满足锂电池热失控进程的中止需求，热失控现象将会继续发展，并很可能出现锂电池爆炸和火灾等的安全事故。因此，在测控系统的具体设计中，为实现电动汽车安全性的良好保障，不仅需要对冷却降温介质进行设置，同时也需要做好灭火装置的设置。考虑到这一方面的需求，本次设计中，将火焰传感器设置在了锂电池安全保护装置中，在检测到明火时，灭火装置便会立即将灭火剂喷出，以此来实现火灾的有效控制。

因为锂电池起火和普通形式的火灾不同，所以其灭火研究依然属于一项新的内容。如果锂电池产生的热失效故障进程没有得到及时终止，且灭火措施实施之后锂电池组依然具有很高温度，其中的电解液和可燃性气体依然从中不断喷出，此时不可将冷却液停止喷射，否则便会出现锂电池复燃情况，造成二次灾害。经研究发现，ABC干粉、二氧化碳以及水成膜泡沫形式的灭火剂在隔离、化学抑制、部分冷却以及窒息等处理之后便可将锂电池产生的明火熄灭，但是细水雾却无法达到良好的灭火效果。这是因为细水雾滴具有很小的直径，在氧气与热失控释放的热量和可燃性气体条件下，雾滴就会迅速变为热的蒸汽，而其冷却和灭火作用都会大幅度降低[3]。就二次复燃阻止能力来看，水成膜泡沫形式的灭火剂具有较好的应用性能，经对比分析发现，相比较其他灭火剂而言，这种灭火剂在灭火之后到复燃之前的间隔时间最长。所以在本次的测控系统设计中，出于安全方面的考虑，将水成膜泡沫形式的灭火剂选作该系统的灭火剂。