動力電池安全迫在眉睫，看科技新銳芯鎂信如何破譯主動安全難題
來源：中國能源新聞網 時間：2023-11-29 17:56
李斐
2023年麥肯錫發布中國汽車消費者洞察報告，報告表明憑借在綜合性價比、智能化體驗、原生電動汽車平臺等多方面優勢，新勢力車企贏得了消費者的青睞，在網約車市場上替代燃油車普及化的局面已經成為現實，雖然燃油車在家用保有量上依然占據主流，但是新能源汽車也在逐年滲透。最新的調查結果顯示制約消費者購買新能源汽車的前三大原因為續航焦慮、充電便捷性以及汽車的安全問題。
圖1.麥肯錫中國汽車消費者調研
安全設計策略或為當下動力電池安全首要防護衣
相比于燃油車，電池熱失控為EV的主要安全風險，2011-2019年，全球新能源汽車起火事件有127起，從這些事故車輛的類型來看，純電動車型的占比最大，達70%以上，混動車型占17%。而車輛起火時的狀態分別是:行駛中(41%)、停放中(29%);充電中(19%)。具體到電池材料類型的話有三元鋰電池(61%)、磷酸鐵鋰電池(22%)、其他聚合物(17%);按照結構形態分類，其中圓柱電池占比(44%)、方形電池(23%)、軟包電池(6%)等。造成鋰電池熱失控的原因是多方面的，機械濫用、熱濫用、過充過放等誘導因素會導致電池內部材料或結構發生失效或者損壞，最終導致熱失控的發生。可以通過潛在的熱失控現象進行分析從而判斷電池狀態，這些潛在現象主要為出現電池容量衰減、功率衰減、電壓降低、異常溫升、內部短路、內阻增大、產氣。
圖2.鋰電池熱失控誘因與現象
鋰電池的熱失控主要分為三個階段（見圖3），Te(人員逃離溫度)告訴我們有效的預警手段只能在第二階段以前。BMS電池管理系統時刻監測著電池的電壓、電流和SOC等狀態。盡管在第一階段會出現容量衰減、內阻增大等現象，但鋰電池的自然衰減與第一階段的現象高度重合，因此，使用BMS來做第一階段的預警非常困難，真正判斷電池是否發生熱失控，在第二階段監測電池溫度的異常和產氣等行為是行之有效的手段，也是目前主機廠主要采用的預警方法。
圖3.鋰電池熱失控的三個階段
事實上，最早被引入電動汽車的熱失控預警傳感器是煙霧傳感器（氣溶膠傳感器），原因很簡單：電池燃燒往往伴隨著煙霧。但無論是三元鋰電還是磷酸鐵鋰，冒煙與產生明火的時間間隔都極其短暫，預警效果十分有限，因此，這一技術正逐漸被主機廠淘汰。工程師們發現，電芯在熱失控第二階段的大量產氣，會使密閉的電池包內氣壓上升，采用氣壓傳感器監測包內壓力異常升高，以此來判斷電芯是否發生熱失控。但矛盾在于，如果電池包完全封閉，電芯的持續產氣行為會導致電池包內壓力持續上升，過大的壓力會對電池包結構造成損害，因此工程師們為電池包設置了安全閥，當壓力超過一定值時，安全閥會打開，釋放電池包壓力，這一過程持續的時間很短，這就導致——氣壓傳感器的信號持續時間極短，在三元鋰電系體系，這一時間甚至不到2秒，而汽車在正常行駛時，經過涵洞、兩車交會時的伯努利效應、非電池溫升導致的底盤溫度升高等都會帶來氣壓傳感器的信號值變化，可能會與正常熱失控的信號模型產生重疊，誤報和漏報的概率便會增加。
除了關注信號的有效性，信號的時效性也是不可忽略的因素，信號本身的傳播速度是有限的，距離越遠，則信號的時效性越低。溫度作為熱失控第二階段的重要參數早期也是被工程師們重點關注的，但在實際應用中發現由于動力電池模組的尺寸較大，熱失控發生的位置不確定，溫度信號傳遞就會出現延遲， 電池模組的設計要考慮容量、結構強度、熱管理、電氣性能等諸多因素，對于信號源的監控往往無法采取最短距離的原則。封閉的電池包環境為氣體探測預警提供了絕佳的條件，戴姆勒電池研究院的鋰電池熱失控測試也表明（見圖4），氣體探測的響應值最為穩定，響應速度最快，可能成為熱失控預警的首選方案。
圖4.德國戴姆勒發布的不同傳感器在電池發生熱失控后的檢測表現
合適的氣體監測是熱失控預警的關鍵
盡管鋰電池在熱失控過程中會產生氫氣、一氧化碳、二氧化碳、烷烴、烯烴、氟化物等氣體，但氫氣相比其他氣體，在電池熱失控過程中更早被釋放出來，氫氣具有所有氣體中最快的擴散速度，且在熱失控產生的氣體中占比最高，檢測證明其濃度甚至超過40%，且它也是造成電池燃爆的元兇。為何不選擇一氧化碳或者二氧化碳探測，首先二氧化碳并非易燃易爆氣體，探測其濃度在安全考量上意義不大，其次一氧化碳雖然是易燃易爆氣體，但是在熱失控的過程中釋放的濃度較低，達不到爆炸下限，市面上的復合探測器普遍采用的是電化學原理的一氧化碳傳感器，其技術原理決定了其不耐高低溫、壽命短等，能否達到車規級有待考量，因此，如果氫氣傳感器能達到車規級，將會是熱失控預警的一個突破口。而芯鎂信經過大量的測試表明，MEMS的熱導型氫傳感器完全可以滿足車規的要求，且相比氣壓傳感器，信號更加持續穩定。
圖5.芯鎂信的車規級氫氣傳感器與氣壓傳感器在熱失控后檢測的表現
結語
電池安全問題一直是新能源汽車的瓶頸，電池的燃燒、爆炸等問題一直困擾著車企和消費者，各大電池廠和車企也紛紛投入固態電池的開發以寄希望于該技術可以解決電池的安全問題，但實際上，固態電池很難實現量產，且有很多科學及技術的基礎問題尚未解決，界面問題仍是全固態電池最難逾越的一個鴻溝，眼下只有把動力電池主動安全的策略設置得當，才能在市場日益激烈的新能源賽道跑出不一樣的路。
責任編輯：江蓬新
校對：許艷
