電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池環(huán)境下的安全性能

摘要：隨著以鋰離子蓄電池為代表的新能源汽車的推廣與普及，就動(dòng)力電池本身來(lái)說(shuō)，在不同環(huán)境條件下的安全使用是至關(guān)重要的，其安全性能應(yīng)結(jié)合電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池在充放電、行駛、環(huán)境溫度變化和意外事故發(fā)生時(shí)可能出現(xiàn)的各種情況下。確保鋰離子蓄電池進(jìn)行有效的防護(hù)，不爆炸。不起火，避免災(zāi)害的發(fā)生。

0 引言

最近在深圳發(fā)生了一起交通事故。一輛比亞迪電動(dòng)出租汽車被撞擊后。動(dòng)力電池起火燃燒。造成司機(jī)和兩名乘客被燒死。作為未來(lái)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，但目前卻并沒(méi)有完全普及的電動(dòng)汽車來(lái)講。它最大的安全隱患就是動(dòng)力電池的爆炸、起火燃燒。其實(shí)，電動(dòng)汽車的起火燃燒事故并不少見(jiàn)。在全球范圍內(nèi)電動(dòng)汽車的起火事件還包括眾泰自燃、沃藍(lán)達(dá)碰撞多日后起火以及菲斯克豪華轎跑Karma起火等。這些事故引起人們對(duì)電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池安全性能的普遍關(guān)注。

隨著以電池驅(qū)動(dòng)為代表的新能源汽車的普及。動(dòng)力電池的安全性能日益重要。單從蓄電池本身來(lái)說(shuō)，它是能量的載體，本身就存在著不安全因素，不同的電化學(xué)體系。不同的容量。制作工藝上的差異，以及使用的環(huán)境和使用的程度等，對(duì)電池的安全性都有很大程度的影響。

1 環(huán)境溫度對(duì)電池的影響

鋰離子蓄電池在不同環(huán)境條件下的安全使用是至關(guān)重要的。在所有的環(huán)境因素中。溫度對(duì)鋰電池的充放電性能的影響最大。在電極/電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān)。電極/電解液的界面被視為鋰電池的心臟。如果溫度下降，那么電極的反應(yīng)率也會(huì)下降：假設(shè)鋰電池的電壓保持恒定，放電電流降低。則鋰電池的功率輸出也會(huì)下降。如果溫度上升則相反。即鋰電池的輸出功率會(huì)上升。溫度也影響電解液的傳送速度，溫度上升則加快，溫度下降則減慢：鋰電池的充放電性能也會(huì)受到影響。但溫度太高。會(huì)破壞鋰電池內(nèi)的化學(xué)平衡。導(dǎo)致副反應(yīng)I堋。我們以20 Ah的單體鋰離子蓄電池為例進(jìn)行常規(guī)的環(huán)境試驗(yàn)：

a）首先。在環(huán)境溫度為（20_+5）℃常溫狀態(tài)的試驗(yàn)箱中。對(duì)鋰離子蓄電池以1ⅣA電流放電，直到放電終止電壓2.0 V.這時(shí)對(duì)這組電池進(jìn)行測(cè)試。其容量值應(yīng)該不能低于額定值或是超過(guò)容量值的110%.結(jié)果容量測(cè)試值為21 Ah,是額定值的105%,說(shuō)明在（20_+5）℃常溫狀態(tài)下，鋰離子電池在合格范圍內(nèi)。

b）其次，在鋰離子蓄電池充滿電的條件下，放到環(huán)境為（一20_+2）℃的低溫試驗(yàn)箱中儲(chǔ)存20 h后。在（一20+2）℃環(huán)境條件下，以1ⅣA電流放電。直到放電終止電壓2.O V.其鋰離子電池的容量應(yīng)不低于額定值的70%.經(jīng)過(guò)測(cè)量電池容量為20 Ah.即為額定值，說(shuō)明在一20℃低溫狀態(tài)下，其容量值沒(méi)有變化。

C）最后。在鋰離子蓄電池充滿電的條件下，放到環(huán)境為（55_+2）℃的高溫試驗(yàn)箱中儲(chǔ)存5 h,然后在（55±2）℃條件下，以lⅣA電流放電，直到放電終止電壓2.0 V.其容量應(yīng)不低于額定值的95%.結(jié)果實(shí)際測(cè)量的容量值為20 Ah,即為額定值。說(shuō)明在55℃高溫狀態(tài)下，其容量值沒(méi)有變化。

通過(guò)以上試驗(yàn)說(shuō)明。雖然理論上環(huán)境對(duì)鋰離子電池是有影響的。但試驗(yàn)結(jié)果表明這一組鋰離子電池在溫度變化的條件下。容量值并沒(méi)有發(fā)生非常大的改變。鋰離子蓄電池組作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池。它是由N個(gè)小體積的單體鋰離子蓄電池通過(guò)DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN串并聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)給汽車整體提供能量。那么。對(duì)于汽車用動(dòng)力鋰離子蓄電池的安全來(lái)說(shuō)。單體鋰離子蓄電池的安全性至關(guān)重要。

2 電池的安全性能試驗(yàn)

鋰離子蓄電池的單體電池是由正極、負(fù)極、隔膜和電解液等組件組成的、一個(gè)比較復(fù)雜的電化學(xué)體系。其安全性的高低取決于整個(gè)組件的“底板效應(yīng)”.只有做到單體安全才能保證串并聯(lián)后電池整體的性能安全地提升。那么怎樣才能保證單體鋰離子蓄電池的安全性呢？我們就要通過(guò)以下的安全試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證（安全性能試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)。試驗(yàn)中為了安全起見(jiàn)。要把被測(cè)電池放在防爆箱中進(jìn)行）：

a）過(guò)放電

鋰離子蓄電池在常溫（20+5）℃條件的防爆箱里。以1ⅣA電流放電，直到蓄電池的電壓為0 V時(shí)（如果有電子保護(hù)線路。則應(yīng)暫時(shí)除去放電電子保護(hù)線路）。鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火、不漏液見(jiàn)圖l.通過(guò)試驗(yàn)鋰離子蓄電池并沒(méi)有發(fā)生以上情況。這項(xiàng)試驗(yàn)的目的是考核電動(dòng)汽車在超出電池容量規(guī)定的行駛里程時(shí)。鋰離子蓄電池在極限放電狀態(tài)下的安全性能。

b）過(guò)充電

鋰離子蓄電池的過(guò)充試驗(yàn)可以選擇兩種方式進(jìn)行：1）鋰離子蓄電池在常溫（20+5）℃條件的防爆箱里，以3ⅣA的電流進(jìn)行充電，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到5 V或充電時(shí)間達(dá)到90 min（其中一個(gè)條件優(yōu)先達(dá)到即停止試驗(yàn)）；2）以9ⅣA電流充電，當(dāng)鋰離子蓄電池電壓達(dá)到10 V即停止試驗(yàn)。在達(dá)到規(guī)定的電壓時(shí)，鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火，見(jiàn)圖1.通過(guò)試驗(yàn)。鋰離子蓄電池并沒(méi)有發(fā)生爆炸或起火。此項(xiàng)試驗(yàn)是考核對(duì)電動(dòng)汽車的鋰離子蓄電池進(jìn)行充電時(shí)。充電設(shè)備失控或人為出現(xiàn)意外時(shí)。導(dǎo)致大電流過(guò)充電。此狀態(tài)下鋰離子蓄電池的安全性能。

C）短路試驗(yàn)

鋰離子蓄電池在常溫（20_+5）℃條件的防爆箱里，將鋰離子蓄電池通過(guò)外部短路，外部線路電阻應(yīng)小于5 mQ.試驗(yàn)時(shí)，鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火。通過(guò)試驗(yàn)。蓄電池并沒(méi)有爆炸或起火。見(jiàn)圖1.此項(xiàng)試驗(yàn)是考核鋰離子蓄電池在正常使用或意外事故時(shí)。蓄電池的正極和負(fù)極可能出現(xiàn)短路的情況，電池會(huì)產(chǎn)生很大的電流。此時(shí)蓄電池內(nèi)部的保護(hù)電路應(yīng)工作，將電極斷開(kāi)。確保蓄電池不爆炸、不起火。

d）跌落試驗(yàn)

鋰離子蓄電池在（20+5）oC條件下。從1.5 m高度處自南跌落到厚度為20 mm的硬木地板上。每個(gè)面1次（這里所指的蓄電池為長(zhǎng)方體。所以要經(jīng)過(guò)6次跌落試驗(yàn)），試驗(yàn)中。鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火、不漏液。見(jiàn)圖2.試驗(yàn)結(jié)果表明。電池有液體流出。說(shuō)明電池的外殼太薄弱。這批次電池為不合格產(chǎn)品。

目前鋰離子動(dòng)力電池的電解液是六氟磷酸鋰（LiPF6），它遇見(jiàn)空氣就揮發(fā)，會(huì)產(chǎn)生有強(qiáng)烈刺激性氣味的有害氣體。此項(xiàng)試驗(yàn)主要是考核蓄電池在運(yùn)輸、搬運(yùn)過(guò)程中，不慎從高處跌落。蓄電池的外殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。不會(huì)發(fā)生破裂而導(dǎo)致電解液泄漏。

e）加熱試驗(yàn)

將鋰離子蓄電池置于（8_+52）℃恒溫箱內(nèi)。并保持120 min溫度不變。試驗(yàn)過(guò)程中鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火。

在我國(guó)南方。夏季氣溫高達(dá)40℃。電動(dòng)汽車長(zhǎng)時(shí)間在烈日曝曬下行駛。動(dòng)力電池在密閉的空間放置。其工作環(huán)境的溫度可達(dá)60℃以上。如果鋰離子蓄電池?zé)o法承受高溫環(huán)境下使用的試驗(yàn)。就會(huì)發(fā)生爆炸、起火的現(xiàn)象。此項(xiàng)試驗(yàn)就是考核動(dòng)力電池在高溫環(huán)境下的安全性能。

f）擠壓試驗(yàn)

將鋰離子蓄電池放置于擠壓試驗(yàn)箱內(nèi)。在垂直于蓄電池極板方向施壓，擠壓面積不小于20 cmz.擠壓至蓄電池殼體破裂或內(nèi)部短路（蓄電池電壓變?yōu)? V）。此項(xiàng)試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火。見(jiàn)圖3.結(jié)果表明。試驗(yàn)后，蓄電池并沒(méi)有發(fā)生爆炸或起火的現(xiàn)象。但是有濃煙產(chǎn)生。

電動(dòng)汽車在行駛時(shí)若發(fā)生意外車禍。特別是電動(dòng)汽車放置動(dòng)力電池的部位被其它車輛撞擊后。動(dòng)力電池的外殼就有可能破裂。甚至動(dòng)力電池會(huì)被撞碎，就會(huì)發(fā)生爆炸、起火的現(xiàn)象。深圳526交通事故中。比亞迪電動(dòng)出租車的動(dòng)力電池被一輛高速行駛的跑車追尾，動(dòng)力電池破碎后起火燃燒。造成司機(jī)和2名乘客遇難的悲劇。這說(shuō)明。這輛電動(dòng)出租車的動(dòng)力電池的擠壓性能不合格。

g）針刺試驗(yàn)

鋰離子蓄電池放置在防爆針刺試驗(yàn)箱中。用中3~8 mm的耐高溫鋼針。以10~40 mm/s的速度。從垂直于蓄電池極板的方向貫穿（鋼針停留在蓄電池中），通過(guò)鋼針的貫穿保持電池的短路狀態(tài)。在試驗(yàn)過(guò)程中鋰離子蓄電池應(yīng)不爆炸、不起火，見(jiàn)圖4、5.試驗(yàn)結(jié)果：雖然電池有濃煙出現(xiàn)。但是并沒(méi)有爆炸或起火的現(xiàn)象。產(chǎn)品應(yīng)該被視為合格。

汽車的大部分零部件都是由金屬制成的，當(dāng)電動(dòng)汽車發(fā)生意外事故或是車禍時(shí)。動(dòng)力電池遭到撞擊后?？赡軙?huì)有金屬零部件刺入甚至貫穿動(dòng)力電池。造成電池短路、內(nèi)部電解液泄漏、冒煙和電池破碎等現(xiàn)象。針刺試驗(yàn)和擠壓試驗(yàn)都是考核動(dòng)力電池在發(fā)生意外事故時(shí)的安全性能。

以上是單體鋰離子蓄電池的安全性能驗(yàn)證，當(dāng)然單體的安全性能不能完全代表整體蓄電池組的安全性能。這是因?yàn)?，單體蓄電池本身存在著個(gè)體的差異。在組成蓄電池組的時(shí)候，就不會(huì)達(dá)到單體蓄電池的動(dòng)態(tài)一致性水平，而這種情況就會(huì)導(dǎo)致蓄電池組的不穩(wěn)定性。甚至?xí)绊懫涫褂玫膲勖?。所以單體蓄電池在組合成電池模塊后。要重復(fù)上述安全性能試驗(yàn)。

我們還應(yīng)當(dāng)知道。影響鋰離子蓄電池安全的不僅是以上幾個(gè)方面。由于電動(dòng)汽車整體設(shè)計(jì)和蓄電池本身的工藝設(shè)計(jì)要求的不同。都會(huì)使蓄電池在汽車上的位置有所不同?？煞譃榧惺讲季只蚍稚⑹讲季郑繕拥牟季侄加兴鼈兊膬?yōu)點(diǎn)和缺陷。所以在布置蓄電池的位置時(shí)要根據(jù)車內(nèi)的實(shí)際空間情況來(lái)考慮：如果要實(shí)現(xiàn)布局的緊湊。就必須改變電動(dòng)汽車蓄電池的傳統(tǒng)安裝方法；當(dāng)然。也要考慮蓄電池的安全性。以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整車設(shè)計(jì)與蓄電池系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的完善結(jié)合。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池的使用特點(diǎn)是其它電源電池不能相比的。由于汽車的用途。出現(xiàn)的場(chǎng)所，可能發(fā)生的各種情況，就使蓄電池存在高速移動(dòng)、劇烈震動(dòng)、高溫工作和快速充放電、潛在的撞擊、刺傷以及短路、跌落、浸水和火燒甚至槍擊的可能性。因此。電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的安全性要求極高。微小的非安全概率都會(huì)給蓄電池造成極其嚴(yán)重的后果。

綜上所述。在動(dòng)力蓄電池的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛的今天。提高動(dòng)力蓄電池的安全性能將是關(guān)于動(dòng)力電池永久的話題。