電車(chē)真比油車(chē)危險嗎?保障新能源車(chē)電池安全的方式是什么?
在好多人印象里,固執地認為動(dòng)力電池不安全,因為覺(jué)得一旦自燃之后人逃離不了,但新能源汽車(chē)和燃油車(chē)在安全性上不能這么簡(jiǎn)單粗暴的比較,這里涉及到新能源汽車(chē)發(fā)展階段和安全標準建設的問(wèn)題。
事實(shí)上,燃油車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的自燃比例非常接近。國家消防救援局2023年第一季度統計數據。根據這一數據,燃油車(chē)保有量31771萬(wàn)輛,自燃18360輛,自燃率萬(wàn)分之0.58;新能源車(chē)1445.2萬(wàn)輛,自燃640輛,自燃率萬(wàn)分之0.44。從自燃率上看,新能源汽車(chē)甚至略低于燃油車(chē)。
其中最近整改提出動(dòng)力電池安全要求標準文件由工信部和寧德時(shí)代、國軒高科、卡耐新能源、力神電池、比亞迪、微宏動(dòng)力以及北汽新能源、蔚來(lái)汽車(chē)等單位參與起草,此次標準增加了電池系統熱擴散試驗,要求電池單體發(fā)生熱失控后,電池系統在5分鐘內不起火不爆炸,為乘員預留安全逃生時(shí)間。因此,按照這一標準生產(chǎn)的動(dòng)力電池以及新能源汽車(chē),要比之前沒(méi)有達到這一標準的動(dòng)力電池和新能源汽車(chē)的安全性大大提升,和燃油車(chē)相比,在車(chē)輛自燃后逃生的成功率方面已經(jīng)和燃油車(chē)沒(méi)有區別。
電車(chē)的安全問(wèn)題,在安全問(wèn)題里首當其沖的又是電動(dòng)車(chē)會(huì )不會(huì )著(zhù)火自燃。這里面就涉及了一個(gè)車(chē)用電池的熱失控問(wèn)題,而保障新能源車(chē)電池安全的方法,其實(shí)就是找到電池熱失控的原因以及如何防止電池熱失控的發(fā)生,接下來(lái)我們就鋰電池的熱失控進(jìn)行介紹。
一、什么是熱失控
1.概述
熱失控指的由各種誘因引發(fā)的熱的鏈式反應現象,熱量在電池內部累積而相互增強且帶有極具破壞性的反應。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),熱失控就是一個(gè)能量正反饋循環(huán)過(guò)程:升高的溫度導致系統變熱,系統變熱后溫度升高,又反過(guò)來(lái)讓系統變得更熱,最終引起起火或爆炸。
2.階段劃分
熱失控的階段的劃分方法存在著(zhù)不同的說(shuō)法,目前主流觀(guān)點(diǎn)還是與隔膜有關(guān),因為隔膜是隔斷電芯正負極的唯一物質(zhì),當隔膜的大規模溶解,電芯正負極直接內部短路,會(huì )加劇電芯的熱失控反應。在此之前,溫度降下來(lái),物質(zhì)活性下降,反應會(huì )減緩。一旦突破這個(gè)點(diǎn),正負極已經(jīng)直接相對,電芯內部溫度不可能被降低,無(wú)法終止反應的繼續了。
該理論將熱失控劃分為三個(gè)階段,自生熱階段(50℃-140℃),熱失控階段(140℃-850℃),熱失控終止階段(850℃-常溫),一些文獻提供的隔膜大規模融化溫度起始于140℃。
從圖中可以看出,當隔膜熔融,電池發(fā)生不可逆的產(chǎn)生鏈式反應時(shí),電池溫度將急劇升高,可能導致火災甚至爆炸。為了降低鋰電池的火災爆炸危險,對于熱失控機理的掌握變得尤為重要。
二、熱失控的誘因
熱失控的觸發(fā)原因可以分為兩大類(lèi),內因和外因。
內部短路:根據前面分析,所有的熱失控歸根到底都是隔膜熔融,造成電芯正負極內部短路造成電芯的熱失控,在原因分析里的內部短路則是一個(gè)狹義的概念,即電芯內部由于加工時(shí)由于設備的磨損,引入一些金屬物質(zhì),造成隔膜刺穿引起的內短路。如目前普遍采用的是6至12μm的隔膜,當金屬顆粒超過(guò)隔膜厚度,在反復充電過(guò)程中,金屬刺穿隔膜引起的電芯內部短路,繼而引發(fā)的熱失控。
機械濫用
機械濫用,指的是在外力作用下,電芯受到類(lèi)似碰撞、擠壓和穿刺等形式的外力影響。比如車(chē)輛高速行駛中觸碰的異物,直接導致了電池內隔膜崩潰,進(jìn)而造成了電池內短路,短時(shí)間內引發(fā)了自燃。
電濫用
鋰電池的電氣濫用,一般包括外短路,過(guò)充,過(guò)放幾種形式,其中最容易發(fā)展成熱失控的要屬過(guò)充。
過(guò)充電,過(guò)充電主要是由于電池包無(wú)節制的充電或者反復充電,電芯負極已無(wú)空間繼續盛放鋰金屬,其就會(huì )形成鋰枝晶,造成刺破隔膜引起電池包熱失控,這個(gè)也是鋰電行業(yè)剛發(fā)展初期最重要的失控因素之一。
外短路,電池組的外部短路可能是由于汽車(chē)碰撞引起的變形引起正負極短路,浸水,導體污染或維護期間的電擊等,一般而言,針對外短路,只要不會(huì )直接作用于電池包,造成電池包內部的高壓正負極直接短路,都可以通過(guò)產(chǎn)品本身的保險系統進(jìn)行消除,避免電池包熱失控。
熱濫用
局部過(guò)熱可能是發(fā)生在電池組中典型的熱濫用情況。熱濫用很少獨立存在,往往是從機械濫用和電氣濫用發(fā)展而來(lái),并且是最終直接觸發(fā)熱失控的一環(huán)。除了由于機械/電氣濫用導致的過(guò)熱之外,過(guò)熱可能由連接接觸松動(dòng)引起。電池連接松動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)得到證實(shí)。熱濫用也是當前被模擬最多的情形,利用設備有控制的加熱電池,以觀(guān)察其在受熱過(guò)程中的反應。
三、如何防止熱失控發(fā)生
熱失控的誘因是多元的,針對鋰離子電池熱失控的情況,目前國內主流的解決方法主要從外部保護和內部改進(jìn)兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。內部改進(jìn)則是指針對電池本身進(jìn)行提高。外部保護較為復雜,主要是指系統方面的升級改進(jìn)。
1.電池單元組成
以方形動(dòng)力電池為例:電池組通常由多個(gè)方形電池單元組成,用于存儲和釋放大量電能。由于動(dòng)力電池組儲存的能量較大,一旦發(fā)生異常情況(例如過(guò)充、過(guò)放、高溫等),可能會(huì )導致電池組的氣體產(chǎn)生、壓力升高,嚴重情況下甚至引發(fā)火災或爆炸。
為了確保電池組的安全性,每一塊動(dòng)力電池通常會(huì )配備1塊防爆閥。防爆閥是一種安全裝置,可以控制電池內部壓力,將過(guò)壓或異常壓力及時(shí)釋放,以減少爆炸或火災的風(fēng)險。
2.工作原理
方形動(dòng)力電池防爆閥的主要爆破原理是基于熱膨脹特性和壓力差的原理。當電池內部氣體壓力超過(guò)防爆閥設定的安全值時(shí),閥門(mén)將爆開(kāi),通過(guò)閥門(mén)排放出一部分氣體,從而降低電池內部氣體的壓力,保持電池的安全工作狀態(tài)。
當電池內部氣體壓力升高超過(guò)閥門(mén)設定的安全壓力時(shí),壓力差使得閥門(mén)受到力的作用,突破防爆閥的限制,爆開(kāi)閥門(mén),將電池內部氣體排放出去。
(電池防爆閥爆開(kāi)圖)
3.設計標準
方形動(dòng)力電池防爆閥的爆破參數是根據電池的設計和使用要求進(jìn)行決定的。另外,電池防爆閥的開(kāi)啟力度也需要合理控制,過(guò)大或過(guò)小都會(huì )影響閥門(mén)的工作效果。而電池防爆閥的爆破過(guò)程主要包括兩個(gè)階段:壓力累積和爆破釋放。在壓力累積階段,電池內部氣體壓力逐漸增加,到達閥值后,防爆閥受到壓力的作用迅速爆開(kāi),閥門(mén)完全打開(kāi),進(jìn)入爆破釋放階段,電池內部氣體通過(guò)閥門(mén)迅速排放出去,從而保持電池的安全工作狀態(tài)。
而車(chē)企在方形動(dòng)力電池防爆閥的采購應要注意,在防爆閥爆破過(guò)程中需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)要求:一是快速的反應速度,即能夠在電池內部氣體壓力達到危險值之前及時(shí)爆開(kāi)閥門(mén);二是可靠的工作性能,即能夠在不同環(huán)境條件下正常工作,不受外界因素的影響;三是持久的使用壽命,保證能夠長(cháng)期穩定地工作,避免頻繁更換,只有這樣才能保證電池安全。
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