【技术】解析电动汽车的热失控预防、检测和缓解

时间： 2023-08-31 来源：安费诺传感器学堂公众号

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替代当前车辆用燃料为能源的新能源不再是一个梦。

这种替代物他们已然出现，而且正处于成为主导交通方式的风口浪尖之上。在未来十年内，电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的产量将超过内燃机制造的电动汽车。由于消费者需求和新的政府法规，到2030年，预计大多数主要汽车制造商将放弃内燃机，转而使用用于汽车，卡车和公共汽车的锂离子电池组。

锂离子电池组的热管理（或更具体地说，热失控预防）一度被认为是替代能源汽车进入市场的障碍，不过当前锂离子电池组仍然是电动汽车和混合动力汽车将长期使用且是关键组成的部分。

电动汽车中的热失控（Thermal Runaway）是什么样的？

虽然很少见，但锂离子电池中的热失控会导致车辆电池组和车辆本身损坏，并对任何乘员造成严重伤害。通常由短路、过度充电或其他电池应力触发，当锂离子电池过热时会发生热失控。多余的热量会在产生气体的细胞中引发连锁反应。如果不缓解，可能会扩散到电池组的其余部分，导致其他电池过热和分解。当失控和电池芯发生故障时，失控会导致易燃气体的释放，例如：

●氢气（Hydrogen）

●挥发性碳氢化合物（Volatile hydrocarbons）

●一氧化碳（Carbon monoxide）

热失控期间释放的其他有害气体包括：

●氟化氢（Hydrogen Fluoride）

●二氧化碳（Carbon dioxide）

●碳酸二甲酯（Dimethyl carbonate）

●乙腈（Acetonitrile）

热失控一旦开始，就很难停止，因为它的连锁反应会级联到电池组中，并且通常会产生大量烟雾和火焰。如果通过快速干预，可以限制热失控对电池组以及车辆其余部分的影响。虽然电池组中使用的许多材料都会考虑降低火灾蔓延的风险，但一旦电池因为热失控排出气体，电池包内的情况就比较危险，必须进行识别和处理以防止由此带来的风险。

防止热失控的管理

电动汽车和混合动力汽车的热失控管理需要采取三管齐下的方法：

●首先防止失控开始

●识别电池内是否或何时发生热失控

●阻止失控扩散到电池组的其他部分

在任何情况下，停止电池热事件都通过两种方法发生——主动和被动热管理系统。

主动热管理

主动热管理依赖于将电池组保持在最佳温度的冷却系统。

当电池在充电或放电过程中开始升温时，主动热管理系统使用空气或冷却板以及传统的汽车冷却剂甚至制冷剂从电池中吸收热量来降低电池组的温度。这与散热器在内燃机内控制温度的方式没有什么不同。

被动热管理
被动热管理系统更侧重于防止热失控的后期阶段。被动系统（例如隔热罩或绝缘材料）不会使受影响的电池保持凉爽，而是防止过多的热量从单个电池传递到电池组的其余部分来阻止继续连锁反应。被动式热管理系统背后的理念类似于作为建筑物中的一种防火分隔形式。通过将火灾控制在一个区域，让它不会蔓延到结构的其他部分。

传感器技术和热失控预防
与任何其他车辆一样，保持电动汽车或HEV以最佳性能运行需要对其系统进行持续监控——这就是为什么电动汽车，卡车和公共汽车需要通过传感器和电子控制装置，持续监控电池状况并根据需要自动提供适当的冷却或加热。

电动汽车的热管理系统对于其电池组而言，传感器在阻止热失控扩散方面起着关键作用。

在锂离子电池组热管理的早期，传感器测量的温度热量——热电池事件的直接且明显的迹象。现在，传感器技术正在采取一种截然不同的，更科学的热管理方法，包括通过监测排气池的气体释放，因为这是热失控的前兆。

碳氢化合物传感器和气压传感器已被试验用于检测热失控，但不是热失控检测的准确或可靠的方法。电池外壳单元内的其他材料可能会干扰化学传感器的性能，使其读数偏移并最终导致设备故障；气压传感器容易受到电池组通风系统的变化以及车辆高度和温度变化的影响。

与此相比的还有另一类监测分发，使用热导率或红外光谱等技术的气体传感器依靠气体的物理特性来检测热失控，并允许在电池热失控开始后进行连续监测。气体传感器使用基于光和导热的技术，测量二氧化碳和氢气——电池在热事件期间排出的第一批气体。与碳氢化合物和压力传感器不同，这些传感器不受环境影响，其性能会随着时间的推移而降低，并且它们的读数仅测量热失控开始阶段释放的气体。这些测量对于向电池管理系统可以尽可能早提供的警告至关重要，从而降低热事件扩散到电池组中其他电池的风险，并为安全和系统响应提供最佳信号。

新一代汽车需要新一代热管理系统
随着电动汽车和混合动力汽车的数量开始超过化石燃料驱动的车辆，设计合理的热管理系统仍将是汽车制造商的首要任务。

电动汽车的未来取决于制造商提供安全、可靠且价格合理的车辆，并具有易于管理的充电和其他理想功能。要使这些车辆安全，系统不仅要防止电池火灾蔓延，还要作为主动车辆危害缓解的一部分，提供早期检测细胞通风。

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