如何防止锂离子电池热失控？

特斯拉(Tesla)汽车与其他大多数电动车、电动自行车、电动滑板车、电动堆高机，以及电动工具一样，都使用锂离子电池作为储能介质。通常，它们使用由数个电池和电池管理系统所组成的电池组，电池管理系统可确保电池保持在指定的工作参数范围内工作。为了达成此一目的，要能够非常精确地测量充电电流和放电电流、电池电压和温度。至于也被称为是“用火焰通风(venting with flame)”的热失控(thermal runaway)，温度是决定性因素。

锂离子电池的工作温度范围很窄，在+15~+45℃之间。电池单元的功能安全、使用寿命和循环稳定性，以及电池和整个电动车或电动工具系统的功能安全，在很大程度上取决于是否能把电池单元维持在参数范围内。如果温度超过临界水平，便会发生热失控。

锂离子电池的热失控会引发停不下来的连锁反应，温度在几毫秒内迅速上升，电池中储存的能量突然被释放，因而产生大约400℃的高温，使得电池变成气体，从而造成几乎不能以常规方式扑灭的火灾。热失控的风险从温度在60℃时开始，而在100℃时变得非常关键，电池实际会在何时着火，则要视具体的情况而定。

锂离子电池的热失控如何产生？导致锂离子电池发生热失控的几项因素如下：

˙内部短路：由于事故或类似的机械冲击，例如如果工具从很高的地方跌落下来，导致电池变形，材料会渗入电池并引发内部短路。

˙外部短路：电池单元变形，引起外部短路。

˙电池过度充电超过数据表中所规定的最大电压，例如为了增加电动车的续航里程而过度充电。视过度充电的程度，电池可能会永久损坏，或使电池的使用寿命缩短。

˙电池充电或放电时的电流过大，例如快速充电时。

为了把热失控的风险降至最低，必须确保电池的机械和热稳定性。这项要求可藉由对电池单元和电池组的适当监控机制来达成。

电池单元的监控至关重要。由于骨牌效应，如果一个电池单元发生热失控，随后就会扩及到其他电池单元、整个电池，乃至于整台电动车或整个电动工具。圆柱形18650锂离子电池具有出色的机械和热力学性能：

˙它们的金属外壳使其坚固耐用，并且可用作散热器。

˙缠绕结构可将阳极和阴极分开多次，从而提高安全性。

其他优势包括它们相对较具有成本效益，并且长久以来都是采用相同的外形尺寸。三星(Samsung)SDI可提供高质量的圆柱形18650锂离子电池。

但是，18650锂离子电池也会发生热失控，因此，热管理系统是不可或缺的。由于热失控会在极短的时间内被触发，而后无法停止，因此，除了全面的热力学技术外，快速和精确的测量对于锂离子电池结构也是非常关键。罗姆半导体(Rohm)、Sensirion和意法半导体(STMicroelectronics)等公司皆可提供各自的传感器产品。例如Sensirion的STS3x传感器的响应时间只要2秒，精准度高达±0.1℃。在理想情况下，在每个电池单元上会有三个温度传感器，建议每个电池单元至少使用一个传感器，每个电池组至少使用一个或两个传感器。

电池单元的数量和配置，在电池组中扮演着吃重的角色：

˙把二十四个锂离子电池排成一列：温度分布相对均匀。

˙3×8锂离子电池：内部热点。

˙5×5锂离子电池：内部温度较高的热点。

液体冷却系统、风扇、导热板和导热膜可冷却电池，或耗散来自热点的热。风扇尺寸为2cm~14cm，高度则介于10mm~38mm之间，某些具有整合式脉冲宽度调变(PWM)、速度测量、速度计讯号或自动重启功能。其中，凯美电机(Jamicon)或台达电子(Delta Electronics)提供的多款产品还具有客制化的连接器。

除了电池单元的配置之外，在使用风扇时，风扇的配置也很重要。测试结果显示，当以1倍、2倍和3倍的额定电流对电池放电时，会出现令人惊讶的温度分布，并且可能产生危险的热点。因此，在设计配有风扇的电池时，不能只依靠假设来设计，而是需要进行精确的测量或使用现有的调查数据。

为了有效地散热，推荐要使用导热膜。松下(Panasonic)10μm~100μm既薄且轻的热解石墨片(PGS)可提供特别高的导热性(高达1,950W/mK)。

除了PGS外，还有一种NASBIS绝缘薄膜可减少热点的热量。将NASBIS薄膜放在电池单元之间，以防止电池单元的热失控扩及到相邻的电池单元，乃至于整组电池，其0.02W/mK的导热性比空气的低，因此可用于隔热。NASBIS薄膜非常薄而且有弹性，所以可应用在狭窄的空间中。

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儒卓力透过自己的调查研究，以及与多家大学的合作，广泛深入地研究电池单元的功能、电池的设计，以及电池管理系统的优化。