三元锂电池和磷酸铁锂电池在安全性方面存在差异,但并不能简单地说三元锂电池更容易自燃。电池安全是一个系统工程,除了电池本身,电池管理系统、热管理系统等也至关重要。通过过充保护、过放保护、过温保护、过流保护等措施,可以有效避免三元锂电池自燃。锂电池自燃的原因可以分为内部因素和外部因素。内部因素包括电池散热不足、系统短路、电池管理系统问题等;外部因素主要是碰撞、高温、短路等。三元锂电池的耐热温度较低,但磷酸铁锂电池的分解温度更高,更不容易着火。电池管理系统(BMS)对于监控、保护、均衡管理锂电池至关重要。BMS可以准确预估电池剩余电量,防止过度充电、亏电,延长电池寿命。同时,BMS还可以实时监测电池工作状态,确保电池运行可靠性。热管理系统主要包括空调制冷、采暖、电机冷却和电池温度控制。风冷、液冷、直冷等冷却模式可以有效散热,防止热失控。隔热层、主动热管理系统等也可以减小电池组内温度差异,提高电池安全性。研究表明,电动车起火几率远低于燃油车。北美数据显示,电动车起火几率仅为0.03%,而燃油车为1.5%。中国数据也表明,新能源汽车起火概率远低于传统燃油车。电动汽车起火事件更易引起关注,但实际风险较低。灭火难度较高,需要专业处理。总体来看,通过系统设计和安全措施,三元锂电池和磷酸铁锂电池都可以实现安全使用。三元锂电池和磷酸铁锂电池在安全性方面存在差异,但通过系统设计和安全措施,都可以实现安全使用。电池自燃原因包括内部因素如散热不足、短路等,和外部因素如碰撞、高温。BMS和热管理系统对于提高电池安全性至关重要。研究表明,电动车起火几率远低于燃油车,且灭火难度较高。通过不断优化电池系统设计,可以有效降低自燃风险,保障电动汽车安全。
如果说三元锂电池的正极分解温度低于磷酸铁锂电池的正极材料分解温度,那是肯定的。但要说三元锂电池比磷酸铁锂电池更容易自燃,那倒不一定,因为动力电池的安全是个系统工程,除了电池本身的安全性以外,电池管理系统,热管理系统也非常重要,比如说有的车企使用的是保险丝熔断机制,有的使用的是炸药熔断机制,后者在发生电池短路的时候,断电的速度更快。如果做好“过充保护、过放保护、过温保护、过流保护”等保护措施,三元锂电池也不会引起自燃。
锂电池的材料在充放电过程中更容易发热,且随着能量密度的不断提高,热失控几率也呈大幅上升态势。整体来看锂电池自燃可以分为内部因素和外部因素,内部因素包含电池散热不够、系统短路和电池管理系统问题三个层面,外部因素主要是碰撞、外部高温和短路等。
锂离子电池由正极材料、负极材料、隔膜和电解液四个部分组成,最大的不同是磷酸铁锂离子电池是磷酸铁锂作为正极材料,三元锂离子电池是正极材料使用镍钴锰酸锂。
电池散热不足:
车辆行驶或放置过程中,地面辐射的热量被电池包吸收,散热系统不到位,造成电池热失控发生燃烧。电池散热不好,或者内部卷得不好,就会导致电池散热不通畅。此外,电池的金属脊柱有铜的,有铝的,导热性都比较好,电路中有某些高热源的元器件,一如果距离电池脊柱近的话,就会造成电池热失控。
锂金属遇到热量后出现的化学特性是非常活泼的,三元锂电池电池的耐热温度基本上是在200度左右,并且当温度达到耐热温度后,三元锂材料的化学反映会更加的剧烈,在高温用途下电解液迅速燃烧。磷酸铁锂离子电池的电极材料耐热温度在500-800度,不会像三元锂材料相同释放氧分子,燃烧没那么剧烈。
电池管理系统问题:
充电过程的燃烧,涉及软件、硬件等方面复杂的控制问题,也会导致电动车自燃。
内部短路:
过充过放导致的支晶、电池生产过程中的杂质灰尘等,将恶化生成刺穿隔膜,产生微短路,电能量的释放导致温升,温升带来的材料化学反应又扩大了短路路径,形成了更大的短路电流,这种互相累积的互相增强的破坏,导致热失控。另外,电动车涉水浸水后,防水失效,水进入电池箱也会造成短路自燃。
外部碰撞
电动汽车碰撞会导致车体发生塑性形变,让车辆电子部件及线路移位、破损造成短路或产生电弧,尤其是电池引出线,这样的线路电流大更容易产生电弧。同时碰撞会让电池组产生变形,导致电池隔膜被撕裂并发生内部短路,也容易因易燃电解质发生泄漏引发起火。我们来看一下内部短路导致单体电池升温的流程3热失控阈值→SEI膜分解→电解液与负极反应→正极分解→电解液分解→内短路→电解液燃烧的燃烧机理。
外部高温
当电动车处于高温条件下时,SEI膜、电解液、EC等会发生分解反应,电解液的分解物还会与正极、负极发生反应,电芯隔膜将融化分解,多种反应导致大量热量产生。隔膜融化导致内部短路,电能量的释放又增大了热量的生产。这种累计的互相增强的破坏作用,其后果是导致电芯防爆膜破裂,电解液喷出,发生燃烧起火。
外部短路
一是整车系统装配有熔断丝和电池管理系统BMS,二是电池能承受短时间的大电流冲击。但是在极限情况下,短路点越过整车熔断器,同时BMS失效,较长时间的外部短路一般会导致电路中的连接薄弱点烧毁,但很少导致电池发生热失控事件。现在,比较多的PACK企业采用了回路中加熔断丝的做法,更能有效的避免外短路引发的危害。
高温条件下,三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解,在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象。磷酸锂电池的分解温度在800℃,更不容易着火。这两种电池都会在到达一定温度时发生分解,磷酸铁锂电池的分解温度要高于三元锂电池,但是这并不能判定三元锂电池的就容易起火,动力电池系统的安全性设计是可以通过热管理设计、电池管理系统等多个方面系统进行提升,厂商在过充保护、过放保护、过温保护、过流保护这几个环节上都可以加强提升,让安全措施设计的更加完善与科学,这样也能让电池工作处于安全状态下。
这里,我主要说明电动汽车主机厂或电池供应商都采用哪些方式来避免锂电池自燃。
BMS对于智能管理和维护每个电池单元,防止电池过度充电和过度放电,延长电池寿命以及监视电池状态非常重要。
BMS是连接电池和下游设备的重要纽带,它具有电池测压的功能,它还包含了电池保护,电池均衡,电池储备,能量测算等信息功能。电池管理系统最主要是为了防止电池出现放电、漏电、过温异常等状况。
电池管理系统的应用主要就是为了监控、保护、均衡管理锂电池,提高电池效率。具体有三方面作用:
1)准确预估电池的剩余电量,保持动力电池维持在一个合理的范围之内,防止过度充电、过度亏电造成电池损伤,
2)监视动态电池的工作状态,实时采集动态电池组单个电池的电压、电阻和温度,比尔在充电和放电过中,监控电池包各观察点的温度,决定是否开启加热和冷却。防止电池发生漏电或亏电现象,判断每一个电池组的状况,挑出有问题的电池,保证整体电池的运行可靠性和牢固性。同时保证每个电池组之间的均衡。
BMS最关键的组成可以分两大块:检测模块和运算控制模块。
检测模块主要测量电芯的电压、电流和温度以及电池组的电压,然后将这些信号传给运算模块进行处理发出指令。
运算控制模块由硬件、基础软件、运行时环境(RTE)和应用软件组成,其中最核心的部分是应用软件。状态估计包括SOC(StateOfCharge),SOP(StateOfPower),SOH(StateofHealth)以及平衡和热管理。
SOC:电量状态,SOC是BMS中最重要的参数,因为其他一切都是以SOC为基础的,SOP的精确估算可以最大限度地提高电池的利用效率。比如在刹车时可以尽量多的吸收回馈的能量而不伤害电池。在加速时可以提供更大的功率获得更大的加速度而不伤害电池。同时也可以保证车在行驶过程中不会因为欠压或者过流保护而失去动力。SOC是电荷状态,主要用来反映电池的剩余容量,其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值。
SOP:电池的动力状态,准确估算SOP可使电池利用率最大化。在制动时,它可以吸收尽可能多的能量而不会损坏电池。加速时,可以提供更多动力以获得更大的加速而不会损坏电池。同时,即使SOC非常低,它也可以确保不会由于欠压或过流保护而关闭汽车电源。对于低温,旧电池和非常低的SOC,准确的SOP估算尤为重要。
SOH:电池的健康状态,它包括两部分:安时容量和功率的变化。对于纯电动车EV来说安时容量的估算更重要一些因为它与续航里程有直接关系而功率限制只是在低SOC的时候才重要。对于SOH的要求也是既要高精度也要鲁棒性。而且没有鲁棒性的SOH是没有意义的。
从控制的角度来说,一个好的算法应该有2个标准:准确性和鲁棒性(纠错能力)。
热管理系统主要包括:空调制冷系统、采暖系统、电机冷却系统和电池温度控制系统。
动力电池的冷却模式主要分为风冷、液冷和直冷。风冷模式是利用自然风或者乘客舱内的制冷风流经电池的表面达到换热冷却的效果。液冷一般使用独立的冷却液管路用来加热或冷却动力电池,目前此种方式是冷却的主流。直冷系统则是省去了动力电池的冷却管路,直接使用制冷剂对动力电池进行冷却。
电池热管理系统最简单的是隔热层,但也是最麻烦的一种热管理系统,一方面隔热层的厚度会直接影响电池包的整体体积;另一方面隔热层属于是“被动热管理系统”,当电池包需要加温或降温的时候,隔热层就会拖后腿。热管理系统主要作用有三:
1)电池高温时有效散热,防止出现热失控事故;
2)电池温度较低时进行预热,提升电池温度,确保低温下的充电、放电性能和安全性;
3)减小电池组内的温度差异,抑制局部热区的形成,防止高温位置处电池过快衰减,降低电池组整体寿命。
在消费者印象中,因为电动车具有电池和三电系统,因而更容易发生起火自燃事故。但日前,北美的一项研究发现,尽管电动车火灾被广泛报道,但电动车所面临的火灾风险是最低的。美国的保险推荐网站AutoInsuranceEZ的研究表明,电池电动汽车起火的几率仅为0.03%;而内燃机汽车的着火几率为1.5%;混合动力汽车既装有高压电池,又有内燃机,车辆发生火灾的可能性为3.4%。
中国工程院院士孙逢春在全球智慧出行大会上表示,2019年中国新能源汽车起火概率是万分之0.49,2020年是万分之0.26。而传统燃油车的火灾事故率大约在万分之一到万分之二之间。由此来看,燃油车自燃的概率几乎是电动汽车的五倍。
上海消防研究所显示,2013年至2017年的机动车燃烧数量在年均3万辆上下,总共烧掉了15.02万辆车,按照机动车保有量来看,似乎也能佐证燃油车更容易自燃的结论。
1)电动汽车作为新事物更容易上头条
电动车作为新事物,电动汽车发生的任何起火事件,不管是否与电池、电机这些电动车独有的部件有关,它们都有着非常高的新闻价值和关注度,专注于新能源车的汽车媒体,可以对特斯拉、蔚来的每次起火,如数家珍。燃油车起火早已不是新闻,而只有当发生惨烈碰撞事故才具有新闻价值,特别是那些发生人员伤亡、甚至因为起火而致死的,很容易登上新闻头条。
2)电动汽车着火后难以处理
锂离子电池能够自燃,随后会因为过热而发生爆炸。出现过热的原因包括电短路,快速放电,过度充电,制造缺陷,设计不良或机械损坏等等。过热会导致热失控过程的出现,也就是电池内部的放热反应会导致电池内部温度和压力以很快速率上升,从而将能量浪费掉。给电动汽车灭火,需要尽快切断高压回路,同时又要极力避免切断或挤压车内的高压部件,哪些地方要赶紧处理,哪些部位又千万不能碰,对现场急救人员都带来了极高的施救难度。如果是燃油车发生起火,基本就是水到火灭,然后拖走。处理难度完全不是一个层次。
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