新能源汽车动力电池起火预警系统设计
摘要：纯电动汽车结构简单，维修方便，操作性能好，与传统燃油汽车相比具有无振动、无噪声、无排放污染等优点，发展前景广阔，已成为未来汽车行业重要发展方向之一。动力电池作为纯电动汽车的唯一储能元件，直接影响到纯电动汽车的整车性能。锂离子电池具有电压平台高，能量密度大、功率密度高、循环寿命长、自放电率低、污染少等优点，成为纯电动汽车的优选电池。
在纯电动车辆正常运行中，锂离子动力电池组伴随着充放电会产生大量的热，如果这些热量不能够及时散失掉将导致电池组内部温度不断升高及温度分布不均匀，从而降低电池的使用性能、循环寿命及安全性。所以，为保证电池性能的稳定性,既要使得电池组的工作温度保持在适宜的临界温度之下，也要控制内部温差在一定范围内。
锂离子电池的产热机理
（1）正常充放电情况下的产热分析
动力锂离子电池在充放电的过程中，电池内部发生化学反应，锂离子在正负极之间进行往复移动，电池内部会伴随着热量的释放和吸收。从整个电池充放电的角度来看，锂离子电池热量来源主要有四种方式:包括充放电时进行的可逆反应而产生的反应热Qr;过充或过放时电解质分解而产生的副反应热Qs;电流通过电池内阻而产生的焦耳热Q;以及极化现象产生的极化反应热Qp。
①反应热QR
从上面锂离子电池的充放电机理可以知道，在电池工作过程中锂离子的移动是由于电池内部发生了电化学反应的结果，并在这个过程中伴随着热量的生成。充电和放电为两个相反的过程，分别对应电化学反应的相反过程，充电时电池吸收热量,即反应热QR为负值，放电时电池放出热量，QR为正值。
②副反应热Qs
锂离子电池在过充过放时产生的副反应热包括电解质分解产生的热量在电池实际工作运行中占比很小。而且由于在电动汽车中设置有保证电池组正常充放电的电池管理系统(BMS),除了人为作用外，过充过放的情况很少发生，因此副反应热一般忽略不计。
③焦耳热Q;
锂离子电池内部包含着不同的材料，电流通过电解液、隔膜、极柱等部分时存在一定大小的电阻，在电池充放电过程中，由于焦耳效应，会产生较为明显的热量，这部分的热量是电池组所有热量产生最主要的来源。
④极化反应热Qp
动力锂离子电池在以一定倍率充放电时，普遍存在一定大小的极化内阻，在对电池进行研究后发现这部分的内阻一般是由欧姆极化、浓度差极化以及电化学极化三个方面所引起的。当电流通过电池内部时，和电池内阻一样，极化内阻也会造成定的压降，且会产生热量。
据研究，动力锂离子电池温度在达到70摄氏度之后，反应热才开始剧烈增加，逐渐成为所有热量的大部分。然而在温度未达到70摄氏度之前，反应热产生并不是很明显，对比焦耳热和与极化反应产生的热量，反应热所占的比例非常小。通常在电动汽车的内部，制定了比较合理的热管理策略，锂离子电池工作时的温度不会超过70°C。
(2)热失控情况下的产热分析
现在有关电池热安全性的报道很多，但研究一致认为: 只有当电池的热散失速率小于热产生速率时，才会发生热失控。那么有哪些反应会引起电池热失控的呢?当电池温度逐渐升高时，电池内部所发生的一系列放热反应，主要有:负极的热分解及其与电解液的反应:电解液的热分解反应;正极的热分解及其与电解液的反应。当电池体系内的产热速率大于热散失速率时，反应物的温度就会不断上升。温度上升的结果，可以造成两种危险情况:反应物的温度达到了其着火温度而发生火灾;电池内部温度继续上升，使反应速度加快，温度进一步升高，而活性物质分解、活性物质和电解液发生反应从而产生一定量的气体，电池内压剧烈上升，严重时可引起爆炸，所以锂离子电池的着火爆炸是由于反应热积蓄而引起的热爆炸。
国内研究现状
国内自20世纪90年代就开始动力电池研究，研究工作多偏重于工程应用，采用方式也是以试验研究为主。
李哲、韩雪冰等人对LiFeP04动力电池的温度特性进行了实验研究。实验结果表明，环境对LiFeP04电池的容量性能有非常大的影响，温度越低，电池的容量衰减也越快:电池的内阻受环境影响比较大，低温环境会增大电池的内阻;相对于极化内阻而言，欧姆内阻会更容易受到环境的影响:处于不同的环境温度时，SOC-OCV曲线可以保持较高的一致性。唐志远、谭才渊等人开展了动力锂离子电池用高倍率放电性能的研究，研究表明改变电池内部结构设计可以提高电池高倍率放电能力;通过增多极耳数目可以减小电池内阻，提升电池的放电性能;大电流放电会导致锂离子电池的放电容量出现一定程度的衰减。王洪伟、杜春雨等人对动力锂离子电池的低温性能进行了深入研究。通过系统分析锂离子电池在低温环境下的电化学行为，结果表明，在低温条件下电池的放电性能降低，其容量低于常温下电池的放电容量，其电压低于常温下电池的放电电压;容量会随着充放电循环的进行而持续衰减;当电池在低温环境下循环数次之后，纵然温度恢复到常温下重新进行实验，其容量也不能恢复到初始值;在电池的电解液中加入少量的碳酸亚乙烯酯后，会明显提高电池的低温放电能力。
2006年陈玉红、唐致远等人在锂离子电池的热失控机理研究中分析了锂离子电池内部热量的来源与产生的原因，为动力锂离子电池产热机理的研究提供了理论依据。庞静、卢世刚等人研究了锂离子电池内部的反应，其中包括SEI膜的分解，正负极材料与电解液的反应，电解液和正极材料的分解，并且分析了影响这些放热反应的因素。王青松、孙金华等人在文献中分析了动力锂离子电池内部组成材料之间的化学反应，表明电池内部产热量越大，锂离子电池安全性越低。周波、钱新明等人着重介绍加速量热仪(ARC) 被应用在电池热安全性方面的功能，并且指出电池的正负极材料、粘结剂和电解液等影响电池的安全性能，加速量热仪可以被应用在该研究中。从2000年开始卢世刚等在文献中分析锂离子电池滥用过充时内部的反应机理，分别研究了不同体系、不同容量的锂离子电池过充情况。
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