作者簡介：
姚昌晟，清華大學汽車工程系本科與在讀博士，目前在清華動力系統課題組進行混合動力系統方面的研究。
小編按：在上一篇推送，我們剛對特斯拉的續(xù)航能力進行了解讀（點擊回顧：特斯拉能跑500km，為什么奔馳們的新電動車做不到）,然而今天就不得不潑一盆冷水，當然并不僅是針對“特斯拉自燃”——而是從原理上對電動車所搭載的鋰電池熱失控問題作出分析。
在6月17日，洛杉磯又有一輛特斯拉Model S在路面自燃——車底的鋰離子電池組熊熊燃燒。這已經是特斯拉在進入2018年以來的第三場起火事故了。而面對這一新聞，公眾的反應，早就沒有特斯拉第一次著火時那樣“熱烈”。
圖1，特斯拉電池自燃，來源：CNN報道轉發(fā)的車主twitter
在五年前的2013年10月，一輛特斯拉Model S在道路上行駛時底部碰撞到了尖銳物體，隨后向車主發(fā)出警告，車主逃車后，Model S燃起熊熊大火。這一事件在當時引發(fā)了全球媒體的爭相報道，特斯拉股價隨之下挫逾6%。
這一次自燃事件發(fā)生后輿論的相對平靜，大概是緣于這五年里，特斯拉的自燃事故已不再鮮見，消費者對“原來這輛車是可能會自己燒起來的”這件事情已經充分了解，心理預期管理好了，自然就見怪不怪。
當然，Model S的自燃不是孤例，隨著新能源汽車的大規(guī)模推廣，鋰電池燃燒導致電動車自燃的新聞報道也越來越多。
圖2，以“電動汽車 自燃”為關鍵詞得到的谷歌新聞搜索結果
而之所以鋰電池能燒起來、燒起來這么危險，原因是在于它本身就是一個可以自行進行反應的封閉小系統，換言之，它是一個封閉“能量球”。不同于發(fā)動機或燃料電池的開放系統需要輸入空氣和燃油。在這個小小的電池里，既有還原劑，又有氧化劑，那么當然既可以“緩慢”充放電，也可以激烈地燃燒起來。
所以一旦電池的管理不當，后果會是災難性的——即使是把電池放到太空里去，這個難題也是一樣存在。而當鋰電池一旦發(fā)生熱失控，整個電池組能夠釋放出的能量是驚人的。由100節(jié)帶電量100Ah的電芯組成的電池組，失控能量達到240000000J，約合57公斤TNT炸藥。
圖3，電池組熱失控能量極大，圖片自制
所以，電動汽車自燃的直接原因——就是鋰電池的熱失控，我將它稱為電動汽車安全的“幕后黑手”。
那么什么是電池的熱失控呢？
“所謂熱失控，是由各種誘因引發(fā)的鏈式反應，發(fā)熱量可使電池溫度升高上千度，造成自燃?！?
一，熱失控的鏈式反應，就好比多米諾骨牌。
從電池電芯內的隔膜分解熔化，進而導致負極與電解液發(fā)生反應，隨之正極和電解質都會發(fā)生分解，從而引發(fā)大規(guī)模的內短路，造成了電解液燃燒，進而蔓延到其他電芯，造成了嚴重的熱失控，讓整個電池組產生自燃。
圖4，熱失控鏈式反應的“多米諾骨牌”，圖片自制
這樣一堆專業(yè)名詞如果看起來不好懂的話，那容我做一個類比，請看下圖——
圖5，原子彈和氫彈的反應原理
· 上圖是氫彈和原子彈的反應原理，這一過程大概可以描述為：氫彈是通過原子彈爆發(fā)產生的輻射引燃的——原子彈是通過钚和鈾原子核不斷受到中子撞擊的連鎖反應，產生裂變所爆發(fā)的——第一顆引發(fā)連鎖的中子是由炸藥點燃壓縮核心而引發(fā)反應的——炸藥是點燃的；
· 這就好比整個電池包的燃燒——是從一個模組蔓延開的——而一個模組的燃燒是其中一顆電芯熱失控導致的——電芯的熱失控又源于電解液和正負極的燃燒——而電解液和正負極的激烈反應又要追溯到隔膜的反應——而引發(fā)熱失控最本源的誘因，則有三種。
二，熱失控的誘因。
熱失控的誘因有三類，分別是機械電氣誘因、電化學誘因和熱誘因。接下來，我們就以幾樁案例，來看一看三種原因都是怎樣導致了電池熱失控的發(fā)生，進而釀成自燃大禍。
圖6，熱失控誘因，圖片自制
· 機械電氣誘因，最著名的案例就是文章開頭提到的“特斯拉第一燒”，車輛高速行駛中觸碰的異物，直接導致了電池內隔膜崩潰，進而造成了電池內短路，短時間內引發(fā)了自燃，按駕駛者回憶，20分鐘前車輛發(fā)出預警，車主逃生后火勢迅速擴大將整個車輛燒毀。
圖7，發(fā)生于2013年的特斯拉首例公開報道的自燃事件
· 電化學誘因，電化學誘因包括了過充放電、內短路等電濫用情況。部分自燃案例中，電池浸水也屬于電化學誘因，這里案例也比較多。當電池包密封性不滿足要求，在泡水后會發(fā)生電解水反應，進而產生大量氣體，氣體在電池包內部會使得電路頻繁通斷進而產生電弧。電弧會導致電池殼體的熔化并引燃電解液，從而造成熱失控釀發(fā)自燃事故。2012年颶風桑迪引起的Fisker Karma泡水自燃，以及最近發(fā)生的力帆650EV暴雨后自燃，是這類誘因導致的類似案例。
圖8，2012年，颶風桑迪引起海水倒灌，停在海邊的Fisker Karma電動跑車被海水浸入后燒毀大半
· 電化學誘因中，過充放電也是電化學誘因，并且是危害極為嚴重的一個誘因。而它也是和電動車車主使用習慣最為相關的一個誘因，極為常見、危險。特斯拉、榮威、眾泰等等電動車都曾在充電時發(fā)生起火。當電池過充電時，正極過渡金屬溶解，負極析鋰，電解液氧化分解，從而導致溫度加速上升，電池膨脹直至破裂，內阻隨之快速增大，進而發(fā)生熱失控。以2016年特斯拉充電事故為例，當地過低的氣溫可能使得電池的狀態(tài)估計與實際狀態(tài)不吻合，進而發(fā)生了過充電的情況，導致自燃。過充電導致的事故案例在近年發(fā)生較多，例如今年3月在泰國曼谷的保時捷Panamera PHEV充電起火乃至燒毀住宅；今年7月在深圳的陸地方舟電動物流車充電起火引燃了旁邊車輛。
圖9，2015年，挪威，充電中自燃的特斯拉Model S
圖10，2018年，泰國，夜間充電自燃的保時捷Panamera PHEV
· 熱誘因，熱失控最直接的誘因就是熱誘因。例如在2008年美國公司CEPCI購買了一輛豐田普銳斯，并自行改裝加入了電池，由于該公司改裝沒有符合電芯制造商A123的使用規(guī)則，車輛運行中熱控芯片未產生作用，導致電池溫度過高，進而引發(fā)熱失控，造成了車輛自燃。
如何避免熱失控？
熱失控的誘因是多元的，為此需要做出多重的預防措施，來避免熱失控的發(fā)生。這就涉及到了電芯的設計和生產、電池管理BMS算法開發(fā)、電池包結構設計等多個方面的研究，全部展開講過于龐雜，這里簡單說一說在熱管理軟件層面怎么做，這是目前眾多研究的重點，也是技術含量較高的一方面研究。
電池的狀態(tài)和發(fā)動機是不一樣的，有一些發(fā)動機易測量的變量，在電池這里并不容易估計。比如說燃油車剩余油量，很容易就可以通過油箱內的油的多少來讀到，但電池的剩余電量（ SOC），則通常要使用算法來進行估計。除了電量之外，電池的實際輸出功率、電池壽命等等，都需要算法進行估計，這就使得電池管理策略（BMS）極為關鍵，而電池的熱失控管理方法也屬于BMS。
相關研究中，清華大學所開發(fā)的電池狀態(tài)的聯合估計算法，是在電池狀態(tài)間相互耦合的關系基礎上，同時估計電池的多個狀態(tài)，包括SOC（State of Charge）、SOH（State of Health）、SOP（State of Power）和SOE（State of Energy）等狀態(tài)的高精度聯合估計。
圖12，電池狀態(tài)聯合估計算法拓撲圖
電池狀態(tài)的精確估計，有助于實時監(jiān)測電池的充放電狀態(tài)，避免過充放造成的熱失控。
此外在另一項研究成果中，研究者通過狀態(tài)估計與電池內短路模型的結合，可以有效識別是否發(fā)生了內短路，進而在熱濫用發(fā)生之初，就對系統發(fā)出警告。從今年的眾多過充造成自燃的事故來看，如何防止過充電，還有很多工作要做。
除此之外，如何隔離開發(fā)生熱失控的電芯也是一個難題。當熱失控發(fā)生，如果能夠將發(fā)生問題的電芯或模組隔離開，就能夠有效降低損失，避免自燃。同樣是清華大學的研究者，對電池的熱失控蔓延進行了研究，建立了一整套成熟的熱擴散測試方法作為技術支持，并提出了電池包綜合的熱管理設計方案，包括了上表面連接匯流結構優(yōu)化散熱、下表面流道散熱設計、電芯連接間隔面的隔熱處理、以及電池包側面布置半導體加熱片的低溫加熱算法設計。這一系列設計保證了整個電池包有較為均勻的熱狀態(tài)，降低了熱失控發(fā)生的風險。
圖13，圍繞電池包綜合熱管理進行了全方位的立體設計
當然除了上述研究應用之外，電池包的設計制造自然是避免熱失控的基本要求，相關措施包括改善電池包的框架設計，如降低電池包振動、防火層阻隔、加裝鋼板、防水防塵等等。本文不再詳述。
熱失控，是一個看起來陌生、但卻與頭條新聞和實際生活息息相關的概念。小到三星手機，大到特斯拉汽車和波音飛機，都可能發(fā)生鋰電池的熱失控。
盡管科學工作者和工程師們，不斷改進了設計、提升了算法，進而有效改善了車用鋰電池組安全性，但是在生活里，我們對電池的使用還是應當更加謹慎。
參考文獻：
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文｜姚昌晟
