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特斯拉自燃的幕后黑手:鋰電池熱失控

放大字體??縮小字體 發布日期:2018-09-14?

熱失控,是一個看起來陌生、但卻與頭條新聞和實際生活息息相關的概念。

在6月17日,洛杉磯又有一輛特斯拉ModelS在路面自燃——車底的鋰離子電池組熊熊燃燒。這已經是特斯拉在進入2018年以來的第三場起火事故了。而面對這一新聞,公眾的反應,早就沒有特斯拉第一次著火時那樣“熱烈”。

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在五年前的2013年10月,一輛特斯拉ModelS在道路上行駛時底部碰撞到了尖銳物體,隨后向車主發出警告,車主逃車后,ModelS燃起熊熊大火。這一事件在當時引發了全球媒體的爭相報道,特斯拉股價隨之下挫逾6%。

這一次自燃事件發生后輿論的相對平靜,大概是緣于這五年里,特斯拉的自燃事故已不再鮮見,消費者對“原來這輛車是可能會自己燒起來的”這件事情已經充分了解,心理預期管理好了,自然就見怪不怪。

當然,ModelS的自燃不是孤例,隨著新能源汽車的大規模推廣,鋰電池燃燒導致電動車自燃的新聞報道也越來越多。

而之所以鋰電池能燒起來、燒起來這么危險,原因是在于它本身就是一個可以自行進行反應的封閉小系統,換言之,它是一個封閉“能量球”。不同于發動機或燃料電池的開放系統需要輸入空氣和燃油。在這個小小的電池里,既有還原劑,又有氧化劑,那么當然既可以“緩慢”充放電,也可以激烈地燃燒起來。

所以一旦電池的管理不當,后果會是災難性的——即使是把電池放到太空里去,這個難題也是一樣存在。而當鋰電池一旦發生熱失控,整個電池組能夠釋放出的能量是驚人的。由100節帶電量100Ah的電芯組成的電池組,失控能量達到240000000J,約合57公斤TNT炸藥。

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電池組熱失控能量極大

所以,電動汽車自燃的直接原因——就是鋰電池的熱失控,我將它稱為電動汽車安全的“幕后黑手”。

▍那么什么是電池的熱失控呢?

“所謂熱失控,是由各種誘因引發的鏈式反應,發熱量可使電池溫度升高上千度,造成自燃。”

一、熱失控的鏈式反應,就好比多米諾骨牌

從電池電芯內的隔膜分解熔化,進而導致負極與電解液發生反應,隨之正極和電解質都會發生分解,從而引發大規模的內短路,造成了電解液燃燒,進而蔓延到其他電芯,造成了嚴重的熱失控,讓整個電池組產生自燃。

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熱失控鏈式反應的“多米諾骨牌”

這樣一堆專業名詞如果看起來不好懂的話,那容我做一個類比,請看下圖——

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原子彈和氫彈的反應原理原子彈和氫彈的反應原理

上圖是氫彈和原子彈的反應原理,這一過程大概可以描述為:氫彈是通過原子彈爆發產生的輻射引燃的——原子彈是通過钚和鈾原子核不斷受到中子撞擊的連鎖反應,產生裂變所爆發的——第一顆引發連鎖的中子是由炸藥點燃壓縮核心而引發反應的——炸藥是點燃的。

這就好比整個電池包的燃燒——是從一個模組蔓延開的——而一個模組的燃燒是其中一顆電芯熱失控導致的——電芯的熱失控又源于電解液和正負極的燃燒——而電解液和正負極的激烈反應又要追溯到隔膜的反應——而引發熱失控最本源的誘因,則有三種。

二、熱失控的誘因

熱失控的誘因有三類,分別是機械電氣誘因、電化學誘因和熱誘因。

接下來,我們就以幾樁案例,來看一看三種原因都是怎樣導致了電池熱失控的發生,進而釀成自燃大禍。

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熱失控誘因

機械電氣誘因,最著名的案例就是文章開頭提到的“特斯拉第一燒”,車輛高速行駛中觸碰的異物,直接導致了電池內隔膜崩潰,進而造成了電池內短路,短時間內引發了自燃,按駕駛者回憶,20分鐘前車輛發出預警,車主逃生后火勢迅速擴大將整個車輛燒毀。

電化學誘因,電化學誘因包括了過充放電、內短路等電濫用情況。部分自燃案例中,電池浸水也屬于電化學誘因,這里案例也比較多。當電池包密封性不滿足要求,在泡水后會發生電解水反應,進而產生大量氣體,氣體在電池包內部會使得電路頻繁通斷進而產生電弧。電弧會導致電池殼體的熔化并引燃電解液,從而造成熱失控釀發自燃事故。2012年颶風桑迪引起的FiskerKarma泡水自燃,以及最近發生的力帆650EV暴雨后自燃,是這類誘因導致的類似案例。

電化學誘因中,過充放電也是電化學誘因,并且是危害極為嚴重的一個誘因。而它也是和電動車車主使用習慣最為相關的一個誘因,極為常見、危險。特斯拉、榮威、眾泰等等電動車都曾在充電時發生起火。當電池過充電時,正極過渡金屬溶解,負極析鋰,電解液氧化分解,從而導致溫度加速上升,電池膨脹直至破裂,內阻隨之快速增大,進而發生熱失控。以2016年特斯拉充電事故為例,當地過低的氣溫可能使得電池的狀態估計與實際狀態不吻合,進而發生了過充電的情況,導致自燃。過充電導致的事故案例在近年發生較多,例如今年3月在泰國曼谷的保時捷Panamera PHEV充電起火乃至燒毀住宅;今年7月在深圳的陸地方舟電動物流車充電起火引燃了旁邊車輛。

熱誘因,熱失控最直接的誘因就是熱誘因。例如在2008年美國公司CEPCI購買了一輛豐田普銳斯,并自行改裝加入了電池,由于該公司改裝沒有符合電芯制造商A123的使用規則,車輛運行中熱控芯片未產生作用,導致電池溫度過高,進而引發熱失控,造成了車輛自燃。

▍如何避免熱失控?

熱失控的誘因是多元的,為此需要做出多重的預防措施,來避免熱失控的發生。這就涉及到了電芯的設計和生產、電池管理BMS算法開發、電池包結構設計等多個方面的研究,全部展開講過于龐雜,這里簡單說一說在熱管理軟件層面怎么做,這是目前眾多研究的重點,也是技術含量較高的一方面研究。

電池的狀態和發動機是不一樣的,有一些發動機易測量的變量,在電池這里并不容易估計。比如說燃油車剩余油量,很容易就可以通過油箱內的油的多少來讀到,但電池的剩余電量(SOC),則通常要使用算法來進行估計。除了電量之外,電池的實際輸出功率、電池壽命等等,都需要算法進行估計,這就使得電池管理策略(BMS)極為關鍵,而電池的熱失控管理方法也屬于BMS。

相關研究中,清華大學所開發的電池狀態的聯合估計算法,是在電池狀態間相互耦合的關系基礎上,同時估計電池的多個狀態,包括SOC(State of Charge)、SOH(State of Health)、SOP(State of Power)和SOE(State of Energy)等狀態的高精度聯合估計。

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電池狀態聯合估計算法拓撲圖

電池狀態的精確估計,有助于實時監測電池的充放電狀態,避免過充放造成的熱失控。

此外在另一項研究成果中,研究者通過狀態估計與電池內短路模型的結合,可以有效識別是否發生了內短路,進而在熱濫用發生之初,就對系統發出警告。從今年的眾多過充造成自燃的事故來看,如何防止過充電,還有很多工作要做。

除此之外,如何隔離開發生熱失控的電芯也是一個難題。當熱失控發生,如果能夠將發生問題的電芯或模組隔離開,就能夠有效降低損失,避免自燃。同樣是清華大學的研究者,對電池的熱失控蔓延進行了研究,建立了一整套成熟的熱擴散測試方法作為技術支持,并提出了電池包綜合的熱管理設計方案,包括了上表面連接匯流結構優化散熱、下表面流道散熱設計、電芯連接間隔面的隔熱處理、以及電池包側面布置半導體加熱片的低溫加熱算法設計。這一系列設計保證了整個電池包有較為均勻的熱狀態,降低了熱失控發生的風險。

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圍繞電池包綜合熱管理進行了全方位的立體設計

當然除了上述研究應用之外,電池包的設計制造自然是避免熱失控的基本要求,相關措施包括改善電池包的框架設計,如降低電池包振動、防火層阻隔、加裝鋼板、防水防塵等等。

文章來源:2030出行研究室

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