特斯拉自燃的幕后黑手:鋰電池?zé)崾Э?/h1>

本文轉(zhuǎn)自 2030出行研究室

熱失控,是一個看起來陌生、但卻與頭條新聞和實(shí)際生活息息相關(guān)的概念。

在6月17日,洛杉磯又有一輛特斯拉Model S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(jìn)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(yīng),早就沒有特斯拉第一次著火時那樣“熱烈”。

特斯拉電池自燃,來源:CNN報道轉(zhuǎn)發(fā)的車主twitter

在五年前的2013年10月,一輛特斯拉Model S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,Model S燃起熊熊大火。這一事件在當(dāng)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(fèi)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(yù)期管理好了,自然就見怪不怪。

當(dāng)然,Model S的自燃不是孤例,隨著新能源汽車的大規(guī)模推廣,鋰電池燃燒導(dǎo)致電動車自燃的新聞報道也越來越多。

以“電動汽車 自燃”為關(guān)鍵詞得到的谷歌新聞搜索結(jié)果

而之所以鋰電池能燒起來、燒起來這么危險,原因是在于它本身就是一個可以自行進(jìn)行反應(yīng)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(jī)或燃料電池的開放系統(tǒng)需要輸入空氣和燃油。在這個小小的電池里,既有還原劑,又有氧化劑,那么當(dāng)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(dāng),后果會是災(zāi)難性的——即使是把電池放到太空里去,這個難題也是一樣存在。而當(dāng)鋰電池一旦發(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(dá)到240000000J,約合57公斤TNT炸藥。

電池組熱失控能量極大,圖片自制

所以,電動汽車自燃的直接原因——就是鋰電池的熱失控,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?zhǔn)椒磻?yīng),發(fā)熱量可使電池溫度升高上千度,造成自燃?!?/p>

一,熱失控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),就好比多米諾骨牌

從電池電芯內(nèi)的隔膜分解熔化,進(jìn)而導(dǎo)致負(fù)極與電解液發(fā)生反應(yīng),隨之正極和電解質(zhì)都會發(fā)生分解,從而引發(fā)大規(guī)模的內(nèi)短路,造成了電解液燃燒,進(jìn)而蔓延到其他電芯,造成了嚴(yán)重的熱失控,讓整個電池組產(chǎn)生自燃。

熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的“多米諾骨牌”,圖片自制

這樣一堆專業(yè)名詞如果看起來不好懂的話,那容我做一個類比,請看下圖——

原子彈和氫彈的反應(yīng)原理

上圖是氫彈和原子彈的反應(yīng)原理,這一過程大概可以描述為:氫彈是通過原子彈爆發(fā)產(chǎn)生的輻射引燃的——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(yīng),產(chǎn)生裂變所爆發(fā)的——第一顆引發(fā)連鎖的中子是由炸藥點(diǎn)燃壓縮核心而引發(fā)反應(yīng)的——炸藥是點(diǎn)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(dǎo)致的——電芯的熱失控又源于電解液和正負(fù)極的燃燒——而電解液和正負(fù)極的激烈反應(yīng)又要追溯到隔膜的反應(yīng)——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(jī)械電氣誘因、電化學(xué)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樣導(dǎo)致了電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生,進(jìn)而釀成自燃大禍。

熱失控誘因,圖片自制

機(jī)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(dǎo)致了電池內(nèi)隔膜崩潰,進(jìn)而造成了電池內(nèi)短路,短時間內(nèi)引發(fā)了自燃,按駕駛者回憶,20分鐘前車輛發(fā)出預(yù)警,車主逃生后火勢迅速擴(kuò)大將整個車輛燒毀。

發(fā)生于2013年的特斯拉首例公開報道的自燃事件

電化學(xué)誘因,電化學(xué)誘因包括了過充放電、內(nèi)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(xué)誘因,這里案例也比較多。當(dāng)電池包密封性不滿足要求,在泡水后會發(fā)生電解水反應(yīng),進(jìn)而產(chǎn)生大量氣體,氣體在電池包內(nèi)部會使得電路頻繁通斷進(jìn)而產(chǎn)生電弧。電弧會導(dǎo)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(fēng)桑迪引起的Fisker Karma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?qū)е碌念愃瓢咐?/p>

2012年,颶風(fēng)桑迪引起海水倒灌,停在海邊的Fisker Karma電動跑車被海水浸入后燒毀大半

電化學(xué)誘因中,過充放電也是電化學(xué)誘因,并且是危害極為嚴(yán)重的一個誘因。而它也是和電動車車主使用習(xí)慣最為相關(guān)的一個誘因,極為常見、危險。特斯拉、榮威、眾泰等等電動車都曾在充電時發(fā)生起火。當(dāng)電池過充電時,正極過渡金屬溶解,負(fù)極析鋰,電解液氧化分解,從而導(dǎo)致溫度加速上升,電池膨脹直至破裂,內(nèi)阻隨之快速增大,進(jìn)而發(fā)生熱失控。以2016年特斯拉充電事故為例,當(dāng)?shù)剡^低的氣溫可能使得電池的狀態(tài)估計(jì)與實(shí)際狀態(tài)不吻合,進(jìn)而發(fā)生了過充電的情況,導(dǎo)致自燃。過充電導(dǎo)致的事故案例在近年發(fā)生較多,例如今年3月在泰國曼谷的保時捷Panamera PHEV充電起火乃至燒毀住宅;今年7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。

2015年,挪威,充電中自燃的特斯拉Model S

2018年,泰國,夜間充電自燃的保時捷Panamera PHEV

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(yùn)行中熱控芯片未產(chǎn)生作用,導(dǎo)致電池溫度過高,進(jìn)而引發(fā)熱失控,造成了車輛自燃。

2008年,改裝普銳斯自燃

如何避免熱失控?

熱失控的誘因是多元的,為此需要做出多重的預(yù)防措施,來避免熱失控的發(fā)生。這就涉及到了電芯的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)、電池管理BMS算法開發(fā)、電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn),也是技術(shù)含量較高的一方面研究。

電池的狀態(tài)和發(fā)動機(jī)是不一樣的,有一些發(fā)動機(jī)易測量的變量,在電池這里并不容易估計(jì)。比如說燃油車剩余油量,很容易就可以通過油箱內(nèi)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(jìn)行估計(jì)。除了電量之外,電池的實(shí)際輸出功率、電池壽命等等,都需要算法進(jìn)行估計(jì),這就使得電池管理策略(BMS)極為關(guān)鍵,而電池的熱失控管理方法也屬于BMS。

相關(guān)研究中,清華大學(xué)所開發(fā)的電池狀態(tài)的聯(lián)合估計(jì)算法,是在電池狀態(tài)間相互耦合的關(guān)系基礎(chǔ)上,同時估計(jì)電池的多個狀態(tài),包括SOC(State of Charge)、SOH(State of Health)、SOP(State of Power)和SOE(State of Energy)等狀態(tài)的高精度聯(lián)合估計(jì)。

電池狀態(tài)聯(lián)合估計(jì)算法拓?fù)鋱D

電池狀態(tài)的精確估計(jì),有助于實(shí)時監(jiān)測電池的充放電狀態(tài),避免過充放造成的熱失控。

此外在另一項(xiàng)研究成果中,研究者通過狀態(tài)估計(jì)與電池內(nèi)短路模型的結(jié)合,可以有效識別是否發(fā)生了內(nèi)短路,進(jìn)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(dāng)熱失控發(fā)生,如果能夠?qū)l(fā)生問題的電芯或模組隔離開,就能夠有效降低損失,避免自燃。同樣是清華大學(xué)的研究者,對電池的熱失控蔓延進(jìn)行了研究,建立了一整套成熟的熱擴(kuò)散測試方法作為技術(shù)支持,并提出了電池包綜合的熱管理設(shè)計(jì)方案,包括了上表面連接匯流結(jié)構(gòu)優(yōu)化散熱、下表面流道散熱設(shè)計(jì)、電芯連接間隔面的隔熱處理、以及電池包側(cè)面布置半導(dǎo)體加熱片的低溫加熱算法設(shè)計(jì)。這一系列設(shè)計(jì)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(fēng)險。

圍繞電池包綜合熱管理進(jìn)行了全方位的立體設(shè)計(jì)

當(dāng)然除了上述研究應(yīng)用之外,電池包的設(shè)計(jì)制造自然是避免熱失控的基本要求,相關(guān)措施包括改善電池包的框架設(shè)計(jì),如降低電池包振動、防火層阻隔、加裝鋼板、防水防塵等等。本文不再詳述。

小結(jié)

熱失控,是一個看起來陌生、但卻與頭條新聞和實(shí)際生活息息相關(guān)的概念。小到三星手機(jī),大到特斯拉汽車和波音飛機(jī),都可能發(fā)生鋰電池的熱失控。

盡管科學(xué)工作者和工程師們,不斷改進(jìn)了設(shè)計(jì)、提升了算法,進(jìn)而有效改善了車用鋰電池組安全性,但是在生活里,我們對電池的使用還是應(yīng)當(dāng)更加謹(jǐn)慎。

(責(zé)編:于洪凱)

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2018-09-12
特斯拉自燃的幕后黑手:鋰電池?zé)崾Э?/div>
五年前的2013年10月,一輛特斯拉Model S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,Model S燃起熊熊大火。這一事件在當(dāng)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%。

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