文章來源：安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司

動力蓄電池是新能源汽車的儲能裝置，目前所使用的電池絕大部分為鋰離子電池。鋰離子電池相對于其他類型電池，具有能量高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，成為純電動汽車較為理想的能量來源。隨著長續(xù)航里程需求的不斷增加，動力蓄電池能量密度越來越高，其產(chǎn)業(yè)化的最大技術(shù)難點就是電池包熱失控安全性，電池內(nèi)部電芯因制造缺陷和濫用不可避免地會發(fā)生熱失控。

到目前為止，發(fā)生了多起由于熱失控引發(fā)的安全事故。作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對，2020年5月12日，國家市場監(jiān)督管理總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布GB38031-2020《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》，鋰離子電池包或系統(tǒng)在由于單個電池?zé)崾Э匾馃釘U散，進(jìn)而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險之前5min，應(yīng)提供一個預(yù)先警告信號，提醒乘員疏散。因此電池?zé)崾Э貦z測方案成為危險預(yù)警的關(guān)鍵。

檢測方案綜述

通?；馂?zāi)發(fā)生的過程分為：初起階段、全面發(fā)展階段和熄滅階段。電動汽車鋰離子電池?zé)崾Э剡^程可分為鋰電池過熱釋放可燃?xì)怏w、釋放煙霧、出現(xiàn)明火、發(fā)生爆炸和熱失控擴展等5個階段。釋放可燃?xì)怏w、釋放煙霧可視為火災(zāi)發(fā)生的初起階段，在此階段若及時發(fā)出報警信號可有效較低電池?zé)崾Э匕踩鹿省?br />

新能源汽車鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)發(fā)生的初起階段，鋰電池處于早期過熱或電解液泄漏階段將逐步釋放出微量的可燃?xì)怏w，如一氧化碳（CO）、磷酸二甲酯與氫氣等。電芯爆噴后會釋放大量的煙霧，同時伴隨著電池包內(nèi)氣體壓力的變化。鑒于鋰電池箱封閉的使用環(huán)境，對鋰電池箱內(nèi)的氣體成分、煙霧濃度、氣體壓力進(jìn)行實時探測和監(jiān)控，是對鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)生進(jìn)行極早期預(yù)警的最直接手段。

針對新能源汽車鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)發(fā)生的初起階段，本文將討論某供應(yīng)商的CO煙霧傳感器與壓力傳感器并對其進(jìn)行相關(guān)研究。

傳感器試驗驗證

1.傳感器初步可行性試驗驗證基于公司某電動車項目，驗證CO、煙霧和壓力三款傳感器對電池包內(nèi)電芯爆噴的反應(yīng)能力。傳感器布置在電池包內(nèi)，位置如圖1所示。

試驗中將電池包上殼體安裝到位，保證整包密封性能，通過加熱法將電池包內(nèi)某顆電芯引爆。不同傳感器輸出數(shù)據(jù)如圖2所示。

壓力傳感器在電芯爆噴后立即有壓力變化響應(yīng)，35s后達(dá)到最大值，最大變化幅值為2.5kPa，壓力變化率較??；CO傳感器在電芯爆噴后23s后達(dá)到最大量程1000ppm；煙霧傳感器在電芯爆噴后30s后達(dá)到最大量程2000μg/m3。
由于壓力傳感器變化幅值較小，且變化斜率不明顯，考慮到大氣壓力與溫度等因素的變化均會對電池包內(nèi)氣體壓力產(chǎn)生影響，故使用壓力傳感器存在故障誤報風(fēng)險。由此，我公司此項目不宜使用壓力傳感器進(jìn)行熱失控的檢測。CO、煙霧傳感器均在30s內(nèi)達(dá)到最大量程輸出值，滿足相應(yīng)國標(biāo)5min要求。2.傳感器抗干擾驗證CO傳感器不只是對CO氣體響應(yīng)，對其他個別干擾氣體也有響應(yīng)，傳感器對不同干擾氣體響應(yīng)特性如表1所示。煙霧傳感器采用光電原理，理論上只對煙霧顆粒響應(yīng)。

為驗證電池包內(nèi)混合氣體對傳感器的影響，將CO及煙霧傳感器布置在電池包內(nèi)進(jìn)行高溫存儲，并記錄傳感器輸出值。電池包高溫存儲24h后，CO傳感器輸出數(shù)值持續(xù)上升，并達(dá)到滿量程，初步判定電池包內(nèi)存在其他氣體干擾；煙霧傳感器輸出數(shù)值基本無變化，電池包內(nèi)氣體對其無干擾。過程如圖3所示。

為進(jìn)一步明確電池包內(nèi)何種材料釋放出CO傳感器干擾氣體，使用CO檢測手持設(shè)備對5200膠、塑料件、泡沫塊、導(dǎo)熱硅膠墊、絕緣紙及環(huán)氧板等不同材料進(jìn)行了檢測（圖4），每種材料在密封袋中放置8h，檢測結(jié)果只有膠測出了1000ppm的CO響應(yīng)值。

測試結(jié)果表明電池包內(nèi)使用的結(jié)構(gòu)膠會釋放某種干擾氣體，使CO傳感器產(chǎn)生響應(yīng)。進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)膠釋放氣體進(jìn)行成份分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)膠會釋放乙烯，而乙烯會對CO傳感器產(chǎn)生強干擾，故CO傳感器輸出值會持續(xù)上升。由于結(jié)構(gòu)膠為電池包內(nèi)必需品，電池包內(nèi)必定會存在乙烯類氣體，故CO傳感器不適用于我公司此項目電池包。結(jié)構(gòu)膠釋放的具體氣體成份如表2所示。

3.傳感器可靠性驗證
證明CO傳感器及壓力傳感器在電池包熱失控檢測中不適用，本章節(jié)主要針對煙霧傳感器進(jìn)行可靠性驗證。使用同一個煙霧傳感器重復(fù)進(jìn)行6次連續(xù)模組級熱失控試驗，每次試驗后打開箱體上蓋釋放煙霧，6次試驗煙霧傳感器均能快速有效檢測到熱失控狀態(tài)，且煙霧釋放后均能恢復(fù)到初始值。模組熱失控實驗見圖5，6次模組熱失控試驗延誤傳感器響應(yīng)曲線如圖6所示。

總結(jié)
本文介紹了三種新能源汽車動力蓄電池?zé)崾Э貦z測方案及其驗證過程。通過分析驗證，最終確認(rèn)壓力傳感器存在誤報風(fēng)險，CO傳感器存在氣體干擾，均不適合我司電池包進(jìn)行熱失控檢測；煙霧傳感器在響應(yīng)時間、抗干擾、可靠性等方面均滿足熱失控檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可用于動力蓄電池?zé)崾Э貦z測。