电动汽车动力电池系统安全分析

　　1.系统级危害

　　作为纯电动汽车的唯一能量来源和混合动力汽车的重要能量来源，动力电池系统的安全性显得非常重要，稍有不慎即可能成为事故的源头，造成严重危害。

　　动力电池系统的定义：是一个能量存储装置，包括电池单体(电芯)或电池模组，电路和电控单元，以及相关的电气和结构组件。

　　动力电池系统的安全特征：作为高能量载体，在不需要外部能量输入的情况下，本身就能够因能量非正常释放而产生巨大破坏力。

　　能量非正常释放的表现形式：

　　①、电能释放(电击)

　　②、化学能释放(燃烧，爆炸)

　　燃烧和爆炸两者都需具备可燃物、氧化剂和火源这三个基本因素。因此，燃烧和爆炸就其本质来说是相同的，而它们的主要区别在于氧化反应速度不同。燃烧速度(即氧化速度)越快，燃烧热的释放越快，所产生的破坏力也越大。在有限的空间里产生急速燃烧，产生高温高压气体，就会发生爆炸。

　　燃烧：化学能转化为热能、光能等

　　爆炸：化学能转化为热能、光能，并伴有巨大的机械能

　　动力电池系统的电特性：

　　①、输出电压通常高达300V以上(直流60V以上为非安全电压)

　　②、存储的能量达到kWh级别(1kWh=3.6MJ)

　　动力电池系统的化学特性：

　　①、电池单体中的电解液和系统中的塑料部件是可燃物，金属铝在高温下也会燃烧

　　②、电池单体中的正负极材料是氧化剂

　　③、电池单体中的放热副反应会引起温度快速上升，成为火源

　　动力电池系统的机械特性：

　　①、为了防水防尘，呈空间密闭状态

　　②、为了经受强烈的机械载荷，壳体材料具有足够的强度

　　2.电击分析

　　动力电池系统为非安全电压的直流电系统，所造成的电击危害为人体直流触电。

　　构成直流触电的基本要素：

　　①电压等级超过安全电压标准(直流60V)

　　②存储的电荷达到一定能量等级(几百焦耳的电能足以致命)

　　③人体与高压直流电的两级构成放电回路

　　直流触电发生的必要条件是带电物体的正负极必须与人体构成放电回路，直流触电的发生概率和危害都小于交流触电，交流触电只要人体接触某一相线，即可在相线、人体和大地之间构成放电回路。

　　导致动力电池系统发生触电的可能原因：

　　①外壳或高压端口的接触防护失效，人体同时接触到两个裸露的电极，构成放电回路

　　②正负极与壳体的绝缘都失效，动力电池系统的外壳不同部位带电且电位不等(电位差大于60V)，人体同时接触到这两个带电部位，构成放电回路

　　第一种情况的发生概率和危害要高于第二种情况，如安装、拆卸、维护、充电时均有可能发生，第二种情况一般可以通过等电位的方式来做附加防护。

　　3.燃烧和爆炸分析

　　相对于电击而言，燃烧和爆炸是动力电池系统最为常见的危害表现形式，造成的影响更为严重。

　　导致动力电池系统发生燃烧或爆炸的可能原因：

　　①电芯的放热副反应导致热失控，引燃电解液、隔离膜和其他可燃物质

　　②局部连接阻抗过大，导致温度上升，达到着火点温度，引燃动力电池包内部的可燃物质

　　③动力电池包外部发生火灾，导致动力电池包温度持续上升，达到着火点温度，引燃内部的可燃物质

　　针对电动汽车的使用情况而言，第一种情况的发生概率最高，危害最大。电芯的放热副反应导致热失控，是动力电池系统发生燃烧或爆炸的主要原因。

　　锂离子电池内部主要放热反应有：

　　①SEI膜的分解(90~120℃)；

　　②负极与电解液的反应(120℃以上)；

　　③电解液分解(200℃左右)；

　　④正极与电解液的反应，伴随正极分解，析出氧气(180~500℃)；

　　⑤负极与粘结剂的反应(240℃以上)等。

　　电芯热失控(燃烧，爆炸)的原因：电芯内部的放热副反应导致热量累积，电芯对外热交换的速率小于热量累积速率，温度持续升高，直至达到着火点温度，引起燃烧和爆炸。

　　电芯内部的热过程遵循热量平衡：

　　Qp=Qe+Qa

　　Qp—电芯内部各种副反应产生的热量

　　Qe—电芯与环境交换的热量(散热)

　　Qa—电芯自己吸收的热量(热累积)

　　如果Qe≥Qp，则Qa为负值或零，电芯内部温度不会上升，不会产生热失控

　　如果Qe<Qp，则Qa为正值，电芯内部温度持续上升，直至热失控(200~300℃)

　　避免电芯热失控的措施：

　　①采取保护措施，降低外部触发因素发生概率(过充、过热、短路、挤压、穿刺等)；

　　②阻断放热副反应的正反馈过程，如增加保险丝，或在正负极材料与集流体之间增加PTC材料；

　　③降低放热副反应所产生的热量，如选择磷酸铁锂正极材料、改变电解液的有机溶剂成分等；

　　④提高着火点温度，如在电解液中添加阻燃材料、选用陶瓷隔膜等；

　　⑤提高散热能力，避免热累积，如采用高效的液冷设计方案等。