解读新能源车自燃的罪魁祸首：锂电池热失控

  本站   2020-03-10 次浏览

近期，新能源汽车发生的多起自燃事件使得公众视线纷纷聚焦到如何保障新能源汽车安全这一话题。据公开信息显示，在不到2个月的时间内，蔚来汽车ES8已发生4起自燃事故。2019年上半年，新能源缺陷车型累计召回2.76万辆，而6月27日因动力电池故障召回的蔚来汽车，是真正涉及自燃事件展开的召回。

【事件回顾】

今年4月，蔚来ES8车型于西安自燃起火，5月和6月，蔚来ES8分别在上海及武汉市发生自燃事件，最终在6月27日蔚来汽车决定召回部分搭载了2018年4月2日到2018年10月19日期间生产的动力电池包的ES8电动汽车，共计4,803辆，召回数量占其交付总量的27.37%，可是就在蔚来汽车发出一纸召回令的当天，在河北石家庄再次爆出自燃事故...

同样在4月，在上海某车库停放的一辆特斯拉Model S发生自燃，紧接着在5月，香港一家购物中心停车场再次发生的特斯拉电动车自燃，据统计自2013年以来该品牌已发生至少14起起火事故，随后的调查结果也初步显示起火原因是由位于车辆前部的单个电池模组故障引起...

可谓是一波未平一波又起，诸多电动汽车品牌频繁发生电池起火事故，尽管对发生自燃事故起因的探究各方观点不一，到底是模组内个别线束走向不当，引起在极端情况下受到挤压和磨损造成短路；还是电池包与模组之间出现了“结构干涉”，极端条件下出现采样线束短路。但毋庸置疑导致此类事件的“罪魁祸首”是电池模组短路，短路，尤其是内部短路，会使得电池急剧升温，如果此时没有其它控制温度的措施，可能会引发热失控的反应，最终导致热失控，而在电池包标准中，按规定将正负极短接一段时间内，要求电池包是不能热失控的。

随着锂离子电池能量密度的不断提高，提高其安全性对电动汽车的发展至关重要。热失控是电池安全研究中的一个关键问题。对热失控机理进行了全面的总结，其中可能导致热失控的滥用情况主要包括机械滥用、电气滥用和热滥用。典型机械滥用包括碰撞、挤压和穿刺，会导致电池结构破坏性变形和位移；机械滥用往往会带来内部短路。典型的电气滥用包括外部短路、过度充电和过度放电。

理论基础

1.     一方程模型

一方程是将热滥用过程中总生成热用一个集总反应来模拟，如下

S为热滥用热量生成速率

一方程的反应速率由以下方程描述，用反应进度来跟踪：

上述a为反应进度，a=0表示反应未开始，a=1表示已经完全反应；Ea为反应活化能(J/mol)；T为温度（K）；R为气体常数；A为反应频率因子(1/s)；m,n为反应级数；R为反应速度(1/s)；H为反应热(J/kg)，W为反应物密度(kg/m^3)

由方程（1-1）可求得反映进度a，代入到方程（1-3）即可得到使用一方程集总方法的热量生成速率

2.     四方程模型

与一方程模型将整个过程所有的生成热用一个集总反应模拟不同，四方程模型考虑了热滥用过程中四个不同的放热反应机理。这四个反应分别为：

• SEI（solid electrolyte interface）decomposition reaction/固体电解质界面分解反应

• Negative electrode -electrolyte reactions/负电极电解质反应

• Positive electrode-electrolyte reactions/正电极电解质反应

• Electrolyte decomposition reactions/电解质分解反应

按照NREL的研究，以上四种不同反应的起始条件，主要是反应开始温度并不相同（如下表），而是随着温度不断升高四个反应依次发生，因此四方程模型较一方程模型可以提供较多的过程信息。

四方程模型总生成热为四个放热反应生成热的和：

上述S项下标sei/ne/pe/ele分别代表以上四个反应。

其中SEI decomposition reaction的反应描述如下：

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m与之前定义相同；Csei为反应物无量纲分数变量，1代表未反应，0代表完全反应。

Negative electrode -electrolyte reactions的反应描述如下

Positive electrode-electrolyte reactions的反应描述如下

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cpe与之前定义相同

Electrolyte decomposition reactions的反应描述如下

其中A, Ea, Ru, T, H, W , m, Cele与之前定义相同

下图给出了NREL（国家可再生能源实验室）的结果与fluent结果对比图，两者吻合的非常好。

在此需要说明的是，上述模型中涉及的参数会因电池不同而不同，用户需要根据试验测试数据（如ARC数据）来进行提取相应数据。

3.     内部短路和外部短路

短路，无论是外部短路还是内部短路，会引发相应位置产生局部高温区，而局部高温区又会激发电池热滥用化学分解反应，从而产生更多热量，这一过程持续增强会导致热失控，最终导致电池毁坏。

FLUENT 对外部短路的处理方法是在MSMD模块上设置负载为一个较小的欧姆值，对内部短路的处理是将短路区域patch为较小的欧姆值。

典型案例

给大家分享一个由于机械滥用造成内部短路，最终导致热失控的案例。

1.     利用LS dyna获得碰撞后形变信息

此处插入视频：热失控001

2.     设置MSMD模块

3.     设置热失控模型

4.     仿真结果

此处插入视频：热失控002

新能源电动车频发的自燃事故让各大厂商更加重视锂电池热失控问题的研究，也让锂电池安全升级成为消费者对新能源电动汽车最担心的问题。电池热失控造成重大危害的警钟已敲响，如何能够在新能源汽车大势所趋的历史浪潮中，保障最终交付产品的性能和行驶安全，如何加强新能源汽车的能源管理，提高安全水平，成为整个产业亟待解决的问题，也是值得行业内的深思和探究的。

• 现阶段国内动力电池PACK水平差距悬殊，行业内真正能够满足下游整车厂商需求的优质PACK厂商寥寥无几，这就导致一些技术能力强、设计方案优秀、行业经验丰富的自动化集成商受锂电生产企业的青睐。

  新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、其他新能源汽车等。
       其工作原理：蓄电池——电流——电力调节器——电动机——动力传动系统——驱动汽车行驶（Road）。

  动力电池是新能源汽车的“心脏”，而德耐隆是实现“心脏”持久动力的“肌膜组织”。其中新能源汽车所用的蓄电池是锂电池，车用锂电池对新能源汽车的发展与普及，至关重要。

  下面，就来简单介绍德耐隆在车用锂电池的应用点。

  安全动力电池专用德耐隆Telite材料的关键技术包括导热、隔热、保温，低应力缓释技术,新型阻燃技术三大技术，在协助动力电池进行热管理、降低温差、实现热平衡;撞击、跌落、爆炸瞬间完成冲击力缓释;实现在高温、过充、刺穿防爆中的阻燃隔热效果等方面将取得决定性的作用。

  下面这些特性使德耐隆Telite保温隔热材料在各种电子设备和汽车应用中脱颖而出，并有助于您应对未来大容量锂电池系统和其他电动汽车部件的设计和生产的相关挑战：

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  •优异的热稳定性（-185℃至200℃）
  •严酷条件下的可靠性能——耐热冲击、抗氧化、抗潮湿和耐化学品性
  •优异的电绝缘性（介电强度） 
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