熱失控是鋰離子電池危害最直接的表現(xiàn)形式，也是動力電池企業(yè)和各大車企投入巨大研究和防范的重點。動力電池屬于含能體，在某些極端條件下熱失控很難避免，電池發(fā)生熱失控后防護重心應轉(zhuǎn)移到如何更好地保護乘客的生命健康。EVS-GTR和《電動汽車用動力蓄電池安全要求》報批稿均強調(diào)了熱事件預警信號的重要性，以保證乘客有足夠的時間逃生。德國戴姆勒公司Sascha Koch (第一作者)等分別開展了三組實驗研究不同傳感器在電池發(fā)生熱失控后的檢測表現(xiàn)，研究思路和結(jié)果非常具有指導意義，詳見Fast Thermal Runaway Detection for Lithium-Ion Cells in Large ScaleTraction Batteries.Batteries, 2018, 4, 16.

(來源 微信公眾號：“新能源Leader”ID：newenergy-leader 作者：頭上長樹杈)

圖文淺析：

表1.實驗所用的7中傳感器信息及用途。

實驗共用到7中傳感器，如表1所示，檢測范圍涉及電壓、氣體、煙霧、、蠕變位移、溫度、氣壓和力。其中氣體傳感器S2為SnO2半導體，主要檢測CH4、C3H8和CO。煙霧傳感器S3是自制的，通過紅外光的反射和LED燈實現(xiàn)檢測。

表2.三組實驗具體信息。實驗中所有電池處于100%SOC，V2和V3測試在60 ℃進行。

實驗共進行了三組，如表2所示，分別是V1、V2和V3。其中V1使用的是20 Ah NMC單電芯軟包電池，通過加熱板加熱觸發(fā)電池熱失控。V2使用的65 Ah NMC軟包電池2P的單模組，通過針刺觸發(fā)熱失控。V3使用的58 Ah NMC電池2P雙模組，同樣通過針刺觸發(fā)熱失控。

圖1.三組實驗傳感器布置示意圖

(a) V1組；(b) V2組；(c) V3組。圖中標記1為Al制密閉裝置，標記2為觸發(fā)熱失控的加熱板或針，標記3為填充塊，標記4為防爆閥，標記5為壓力傳感器，標記6為氣體傳感器，標記7為溫度傳感器，標記8為煙霧傳感器，標記9為位移傳感器，標記10為傳感器區(qū)域，標記11為模組。

三組實驗傳感器布置如圖1所示。Al密閉結(jié)構(gòu)的體積并未給出，只告知防爆閥作用壓力為30 kPa ≤ Pburst≤ 70 kPa，V3測試安排有2個防爆閥。其中V1和V3是在密閉條件下進行，V2是在開口條件下進行，所有V2組并未使用壓力傳感器。

圖2. V1組加熱觸發(fā)熱失控測試結(jié)果。其中“visible venting”虛線表示電池開閥過程在外部可以觀察到。

圖2所示為V1組測試結(jié)果。不難看出氣體傳感器S2、煙霧傳感器S3、壓力傳感器S6和位移傳感器S4響應較快，其中氣體傳感器S2反應最快，煙霧傳感器S3緊隨其后。值得注意的是，相較氣體信號，電壓顯著降低幾乎滯后了20 s。從溫度上看，最大溫升達到250 ℃，最高溫度接近300 ℃。

圖3. V2組針刺觸發(fā)熱失控結(jié)果，其中磚紅色虛線代表電池被完全刺穿時刻。

如圖3所示，V2組實驗中同樣是氣體傳感器S2、煙霧傳感器S3和位移傳感器S4響應最快。同V1組相比，電壓響應滯后時間晚了接近40 s，作者認為電池型號不同或觸發(fā)熱失控方式不同所致。最大溫升約150 ℃，最高溫度接近200 ℃。

圖4. V3針刺觸發(fā)熱失控結(jié)果，其中磚紅色虛線代表電池被完全刺穿時刻。

如圖4所示，V3組實驗中響應最快的是氣體傳感器S2 (出現(xiàn)異常)、煙霧傳感器S3、位移傳感器S4和壓力傳感器S6，結(jié)果同V1組、V2組一致。電壓響應滯后了20多秒，但電壓在90 s附近和115 s附近出現(xiàn)一定程度波動。溫度曲線共出現(xiàn)3次峰值，后兩次峰值為模組內(nèi)其他電池發(fā)生排氣所致，最高溫升為300 ℃。

表3.傳感器結(jié)果對比，“+”表示性能良好，“0”表示性能一般，“-”表示性能較差。

綜合以上三組測試結(jié)果，本研究所用的檢測電池熱失控的7種傳感器表現(xiàn)如表3所示。直觀上看沒有任何傳感器三種優(yōu)點兼得，均是有得有失。但簡單從熱失控預警角度出發(fā)，要求傳感器的檢測速度越快越好，氣體傳感器S2、壓力傳感器S6和力傳感器S7均有很好的響應速度。從以上對比不難看出，常檢測的電壓和溫度均不太適合用于電池熱失控預警。熱失控預警往往使用多種傳感器，可綜合考慮系統(tǒng)設計和傳感器的優(yōu)缺點選用兩三種傳感器進行布置。