TSLA自燃的原因——鋰電池的熱失控 銀杉電池集團(tuán)

　　在6月17日，洛杉磯又有一輛特斯拉ModelS在路面自燃——車底的鋰離子電池組熊熊燃燒。這已經(jīng)是特斯拉在進(jìn)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(yīng)，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(zhuǎn)發(fā)的車主twitter

　　在五年前的2013年10月，一輛特斯拉ModelS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，ModelS燃起熊熊大火。這一事件在當(dāng)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(fèi)者對“原來這輛車是可能會自己燒起來的”這件事情已經(jīng)充分了解，心理預(yù)期管理好了，自然就見怪不怪。

　　當(dāng)然，ModelS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(dǎo)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(guān)鍵詞得到的谷歌新聞搜索結(jié)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(jìn)行反應(yīng)的封閉小系統(tǒng)，換言之，它是一個封閉“能量球”。不同于發(fā)動機(jī)或燃料電池的開放系統(tǒng)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(dāng)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(dāng)，后果會是災(zāi)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(dāng)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(dá)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?zhǔn)椒磻?yīng)，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?zhǔn)椒磻?yīng)，就好比多米諾骨牌。

　　從電池電芯內(nèi)的隔膜分解熔化，進(jìn)而導(dǎo)致負(fù)極與電解液發(fā)生反應(yīng)，隨之正極和電解質(zhì)都會發(fā)生分解，從而引發(fā)大規(guī)模的內(nèi)短路，造成了電解液燃燒，進(jìn)而蔓延到其他電芯，造成了嚴(yán)重的熱失控，讓整個電池組產(chǎn)生自燃。

　　圖4，熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的“多米諾骨牌”

　　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(yīng)原理

　　·上圖是氫彈和原子彈的反應(yīng)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(chǎn)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(yīng)，產(chǎn)生裂變所爆發(fā)的——第一顆引發(fā)連鎖的中子是由炸藥點(diǎn)燃壓縮核心而引發(fā)反應(yīng)的——炸藥是點(diǎn)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(dǎo)致的——電芯的熱失控又源于電解液和正負(fù)極的燃燒——而電解液和正負(fù)極的激烈反應(yīng)又要追溯到隔膜的反應(yīng)——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(jī)械電氣誘因、電化學(xué)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(dǎo)致了電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生，進(jìn)而釀成自燃大禍。

　　圖6，熱失控誘因，圖片自制

　　·機(jī)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(dǎo)致了電池內(nèi)隔膜崩潰，進(jìn)而造成了電池內(nèi)短路，短時間內(nèi)引發(fā)了自燃，按駕駛者回憶，20分鐘前車輛發(fā)出預(yù)警，車主逃生后火勢迅速擴(kuò)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(xué)誘因，電化學(xué)誘因包括了過充放電、內(nèi)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(xué)誘因，這里案例也比較多。當(dāng)電池包密封性不滿足要求，在泡水后會發(fā)生電解水反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生大量氣體，氣體在電池包內(nèi)部會使得電路頻繁通斷進(jìn)而產(chǎn)生電弧。電弧會導(dǎo)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(fēng)桑迪引起的FiskerKarma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?qū)е碌念愃瓢咐?/p>

　　圖8，2012年，颶風(fēng)桑迪引起海水倒灌，停在海邊的FiskerKarma電動跑車被海水浸入后燒毀大半

　　·電化學(xué)誘因中，過充放電也是電化學(xué)誘因，并且是危害極為嚴(yán)重的一個誘因。而它也是和電動車車主使用習(xí)慣最為相關(guān)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(dāng)電池過充電時，正極過渡金屬溶解，負(fù)極析鋰，電解液氧化分解，從而導(dǎo)致溫度加速上升，電池膨脹直至破裂，內(nèi)阻隨之快速增大，進(jìn)而發(fā)生熱失控。以2016年特斯拉充電事故為例，當(dāng)?shù)剡^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(jìn)而發(fā)生了過充電的情況，導(dǎo)致自燃。過充電導(dǎo)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PanameraPHEV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ModelS

　　圖10，2018年，泰國，夜間充電自燃的保時捷PanameraPHEV

　　·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(yùn)行中熱控芯片未產(chǎn)生作用，導(dǎo)致電池溫度過高，進(jìn)而引發(fā)熱失控，造成了車輛自燃。

　　圖11，2008年，改裝普銳斯自燃

　　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(yù)防措施，來避免熱失控的發(fā)生。這就涉及到了電芯的設(shè)計和生產(chǎn)、電池管理BMS算法開發(fā)、電池包結(jié)構(gòu)設(shè)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(diǎn)，也是技術(shù)含量較高的一方面研究。

　　電池的狀態(tài)和發(fā)動機(jī)是不一樣的，有一些發(fā)動機(jī)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(nèi)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(jìn)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(jìn)行估計，這就使得電池管理策略(BMS)極為關(guān)鍵，而電池的熱失控管理方法也屬于BMS。

　　相關(guān)研究中，清華大學(xué)所開發(fā)的電池狀態(tài)的聯(lián)合估計算法，是在電池狀態(tài)間相互耦合的關(guān)系基礎(chǔ)上，同時估計電池的多個狀態(tài)，包括SOC(StateofCharge)、SOH(StateofHealth)、SOP(StateofPower)和SOE(StateofEnergy)等狀態(tài)的高精度聯(lián)合估計。

　　圖12，電池狀態(tài)聯(lián)合估計算法拓?fù)鋱D

　　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(nèi)短路模型的結(jié)合，可以有效識別是否發(fā)生了內(nèi)短路，進(jìn)而在熱濫用發(fā)生之初，就對系統(tǒng)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(dāng)熱失控發(fā)生，如果能夠?qū)l(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(xué)的研究者，對電池的熱失控蔓延進(jìn)行了研究，建立了一整套成熟的熱擴(kuò)散測試方法作為技術(shù)支持，并提出了電池包綜合的熱管理設(shè)計方案，包括了上表面連接匯流結(jié)構(gòu)優(yōu)化散熱、下表面流道散熱設(shè)計、電芯連接間隔面的隔熱處理、以及電池包側(cè)面布置半導(dǎo)體加熱片的低溫加熱算法設(shè)計。這一系列設(shè)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(fēng)險。

　　圖13，圍繞電池包綜合熱管理進(jìn)行了全方位的立體設(shè)計

　　當(dāng)然除了上述研究應(yīng)用之外，電池包的設(shè)計制造自然是避免熱失控的基本要求，相關(guān)措施包括改善電池包的框架設(shè)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(guān)的概念。小到三星手機(jī)，大到特斯拉汽車和波音飛機(jī)，都可能發(fā)生鋰電池的熱失控。

　　盡管科學(xué)工作者和工程師們，不斷改進(jìn)了設(shè)計、提升了算法，進(jìn)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(yīng)當(dāng)更加謹(jǐn)慎。