鉅大LARGE | 點擊量：683次 | 2022年04月08日
TSLA自燃的幕后黑手:鋰離子電池熱失控
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。
在六月十七日，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(jīng)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。
在五年前的2013年十月，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(fā)出警告，車主逃車后，ModelS燃起熊熊大火。這一事件在當時引發(fā)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(fā)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(jīng)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(guī)模推廣，鋰離子電池燃燒導致電動汽車自燃的新聞報道也越來越多。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
而之所以鋰離子電池能燒起來、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(tǒng)，換言之，它是一個封閉能量球。不同于發(fā)動機或燃料動力電池的開放系統(tǒng)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，這個難題也是相同存在。而當鋰離子電池一旦發(fā)生熱失控，整個電池組能夠釋放出的能量是驚人的。由100節(jié)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。
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離子電池的熱失控，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(fā)的鏈式反應，發(fā)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(fā)生反應，隨之正極和電解質都會發(fā)生分解，從而引發(fā)大規(guī)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，讓整個電池組出現(xiàn)自燃。
熱失控鏈式反應的多米諾骨牌
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(fā)出現(xiàn)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，出現(xiàn)裂變所爆發(fā)的第一顆引發(fā)連鎖的中子是由炸藥點燃壓縮核心而引發(fā)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(fā)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么樣導致了電池熱失控的發(fā)生，進而釀成自燃大禍。
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(fā)了自燃，按駕駛者回憶，20分鐘前車輛發(fā)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(fā)生電解水反應，進而出現(xiàn)大量氣體，氣體在電池包內部會使得電路頻繁通斷進而出現(xiàn)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(fā)自燃事故。2012年颶風桑迪引起的FiskerKarma泡水自燃，以及最近發(fā)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。而它也是和電動汽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、眾泰等等電動汽車都曾在充電時發(fā)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(fā)生熱失控。以2016年特斯拉充電事故為例，當?shù)剡^低的氣溫可能使得電池的狀態(tài)估計與實際狀態(tài)不吻合，進而發(fā)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(fā)生較多，例如今年三月在泰國曼谷的保時捷PanameraPHEV充電起火乃至燒毀住宅；今年七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(guī)則，車輛運行中熱控芯片未出現(xiàn)用途，導致電池溫度過高，進而引發(fā)熱失控，造成了車輛自燃。
▍如何防止熱失控？
熱失控的誘因是多元的，為此要做出多重的預防措施，來防止熱失控的發(fā)生。這就涉及到了電芯的設計和生產、電池管理BMS算法開發(fā)、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(tài)和發(fā)動機是不相同的，有一些發(fā)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(fā)的電池狀態(tài)的聯(lián)合估計算法，是在電池狀態(tài)間相互耦合的關系基礎上，同時估計電池的多個狀態(tài)，包括SOC(StateofCharge)、SOH(StateofHealth)、SOP(StateofPower)和SOE(StateofEnergy)等狀態(tài)的高精度聯(lián)合估計。
電池狀態(tài)的精確估計，有助于實時監(jiān)測電池的充放電狀態(tài)，防止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(tài)估計與電池內短路模型的結合，可以有效識別是否發(fā)生了內短路，進而在熱濫用發(fā)生之初，就對系統(tǒng)發(fā)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(fā)生熱失控的電芯也是一個難題。當熱失控發(fā)生，假如能夠將發(fā)生問題的電芯或模組隔離開，就能夠有效降低損失，防止自燃。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法，包括了上表面連接匯流結構優(yōu)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(tài)，降低了熱失控發(fā)生的風險。
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防止熱失控的基本要求，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。
