特斯拉(Tesla)汽車與其他大多數(shù)電動(dòng)車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車、電動(dòng)堆高機(jī)，以及電動(dòng)工具一樣，都使用鋰離子電池作為儲(chǔ)能介質(zhì)。通常，它們使用由數(shù)個(gè)電池和電池管理系統(tǒng)所組成的電池組，電池管理系統(tǒng)可確保電池保持在指定的工作參數(shù)范圍內(nèi)工作。為了達(dá)成此一目的，要能夠非常精確地測(cè)量充電電流和放電電流、電池電壓和溫度。至于也被稱為是“用火焰通風(fēng)(ventingwithflame)”的熱失控(thermalrunaway)，溫度是決定性因素。

鋰離子電池的工作溫度范圍很窄，在+15~+45℃之間。電池單元的功能安全、使用壽命和循環(huán)穩(wěn)定性，以及電池和整個(gè)電動(dòng)車或電動(dòng)工具系統(tǒng)的功能安全，在很大程度上取決于是否能把電池單元維持在參數(shù)范圍內(nèi)。如果溫度超過(guò)臨界水平，便會(huì)發(fā)生熱失控。

何謂熱失控?

鋰離子電池的熱失控會(huì)引發(fā)停不下來(lái)的連鎖反應(yīng)，溫度在幾毫秒內(nèi)迅速上升，電池中儲(chǔ)存的能量突然被釋放，因而產(chǎn)生大約400℃的高溫，使得電池變成氣體，從而造成幾乎不能以常規(guī)方式撲滅的火災(zāi)。熱失控的風(fēng)險(xiǎn)從溫度在60℃時(shí)開始，而在100℃時(shí)變得非常關(guān)鍵，電池實(shí)際會(huì)在何時(shí)著火，則要視具體的情況而定。

鋰離子電池的熱失控如何產(chǎn)生?導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控的幾項(xiàng)因素如下：

˙內(nèi)部短路：由于事故或類似的機(jī)械沖擊，例如如果工具從很高的地方跌落下來(lái)，導(dǎo)致電池變形，材料會(huì)滲入電池并引發(fā)內(nèi)部短路。

˙外部短路：電池單元變形，引起外部短路。

˙電池過(guò)度充電超過(guò)數(shù)據(jù)表中所規(guī)定的最大電壓，例如為了增加電動(dòng)車的續(xù)航里程而過(guò)度充電。視過(guò)度充電的程度，電池可能會(huì)永久損壞，或使電池的使用壽命縮短。

˙電池充電或放電時(shí)的電流過(guò)大，例如快速充電時(shí)。

如何降低風(fēng)險(xiǎn)?

為了把熱失控的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，必須確保電池的機(jī)械和熱穩(wěn)定性。這項(xiàng)要求可藉由對(duì)電池單元和電池組的適當(dāng)監(jiān)控機(jī)制來(lái)達(dá)成。

電池單元

電池單元的監(jiān)控至關(guān)重要。由于骨牌效應(yīng)，如果一個(gè)電池單元發(fā)生熱失控，隨后就會(huì)擴(kuò)及到其他電池單元、整個(gè)電池，乃至于整臺(tái)電動(dòng)車或整個(gè)電動(dòng)工具。圓柱形18650鋰離子電池具有出色的機(jī)械和熱力學(xué)性能：

˙它們的金屬外殼使其堅(jiān)固耐用，并且可用作散熱器。

˙纏繞結(jié)構(gòu)可將陽(yáng)極和陰極分開多次，從而提高安全性。

其他優(yōu)勢(shì)包括它們相對(duì)較具有成本效益，并且長(zhǎng)久以來(lái)都是采用相同的外形尺寸。三星(Samsung)SDI可提供高質(zhì)量的圓柱形18650鋰離子電池。

三星SDI圓柱形18650鋰離子電池

但是，18650鋰離子電池也會(huì)發(fā)生熱失控，因此，熱管理系統(tǒng)是不可或缺的。由于熱失控會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)被觸發(fā)，而后無(wú)法停止，因此，除了全面的熱力學(xué)技術(shù)外，快速和精確的測(cè)量對(duì)于鋰離子電池結(jié)構(gòu)也是非常關(guān)鍵。羅姆半導(dǎo)體(Rohm)、Sensirion和意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)等公司皆可提供各自的傳感器產(chǎn)品。例如Sensirion的STS3x傳感器的響應(yīng)時(shí)間只要2秒，精準(zhǔn)度高達(dá)±0.1℃。在理想情況下，在每個(gè)電池單元上會(huì)有三個(gè)溫度傳感器，建議每個(gè)電池單元至少使用一個(gè)傳感器，每個(gè)電池組至少使用一個(gè)或兩個(gè)傳感器。

電池組

電池單元的數(shù)量和配置，在電池組中扮演著吃重的角色：

˙把二十四個(gè)鋰離子電池排成一列：溫度分布相對(duì)均勻。

˙3×8鋰離子電池：內(nèi)部熱點(diǎn)。

˙5×5鋰離子電池：內(nèi)部溫度較高的熱點(diǎn)。

液體冷卻系統(tǒng)、風(fēng)扇、導(dǎo)熱板和導(dǎo)熱膜可冷卻電池，或耗散來(lái)自熱點(diǎn)的熱。風(fēng)扇尺寸為2cm~14cm，高度則介于10mm~38mm之間，某些具有整合式脈沖寬度調(diào)變(PWM)、速度測(cè)量、速度計(jì)訊號(hào)或自動(dòng)重啟功能。其中，凱美電機(jī)(Jamicon)或臺(tái)達(dá)電子(DeltaElectronics)提供的多款產(chǎn)品還具有客制化的連接器。

除了電池單元的配置之外，在使用風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇的配置也很重要。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)以1倍、2倍和3倍的額定電流對(duì)電池放電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)令人驚訝的溫度分布，并且可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的熱點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)配有風(fēng)扇的電池時(shí)，不能只依靠假設(shè)來(lái)設(shè)計(jì)，而是需要進(jìn)行精確的測(cè)量或使用現(xiàn)有的調(diào)查數(shù)據(jù)。

為了有效地散熱，推薦要使用導(dǎo)熱膜。松下(Panasonic)10μm~100μm既薄且輕的熱解石墨片(PGS)可提供特別高的導(dǎo)熱性(高達(dá)1,950W/mK)。

除了PGS外，還有一種NASBIS絕緣薄膜可減少熱點(diǎn)的熱量。將NASBIS薄膜放在電池單元之間，以防止電池單元的熱失控?cái)U(kuò)及到相鄰的電池單元，乃至于整組電池，其0.02W/mK的導(dǎo)熱性比空氣的低，因此可用于隔熱。NASBIS薄膜非常薄而且有彈性，所以可應(yīng)用在狹窄的空間中。

鋰離子電池的專業(yè)知識(shí)

開發(fā)人員可在儒卓力找到開發(fā)鋰離子電池所需的一切大大小小組件，包括電池單元、溫度傳感器、風(fēng)扇、導(dǎo)熱膜、絕緣薄膜，以及電池管理系統(tǒng)的所有其他組件，并且還可獲得全面的鋰離子電池專業(yè)知識(shí)。

儒卓力透過(guò)自己的調(diào)查研究，以及與多家大學(xué)的合作，廣泛深入地研究電池單元的功能、電池的設(shè)計(jì)，以及電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化。