动力电池中的安全设计介绍

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最近报道出事的电动汽车越来越多，安全问题是汽车电动化道路上一个必须跨越的坎。通常人们会把事故的起因归咎于电池。事实上，在现在的车用动力电池系统中，是考虑了很多安全方面的设计的。下面，我从电芯，模组，电池系统三个层级来介绍下现有的安全设计。

一、电芯中的安全设计

电芯中的安全设计首先体现在化学材料体系的选择上，通常来说，磷酸铁锂和钛酸锂安全系数相对来说比较高，三元，锰酸锂，钴酸锂体系热稳定性较差，安全性相对较差，所以在对安全性要求较高的应用场合，应该首选磷酸铁锂或钛酸锂电芯。

其次，隔膜对电芯的安全也很重要。耐高温的隔膜可以提高隔膜收缩的温度，从而提高触发电芯热失控的温度。

不同的封装对电芯的安全性也存在不同的影响。

软包电芯是利用铝塑膜进行封装的，铝塑膜之间采用热熔的工艺进行密封，相对其他封装形式来说，软包装封装强度较差，在电池发生热失控时，可以及时破口，释放内部压力，避免爆炸风险。但是这种破口属于非定向破口，破口位置不确定，很难对破出的高温可燃危险气体进行定向导引。

软包电芯上另外一种安全设计是为了在电芯发生外短路时即使切断电路。具体设计是弱化电芯极耳，通常是对电芯的正极极耳进行弱化设计，因为正极极耳材料一般是铝，材料电阻率较负极极耳铜更大，同时熔点也较负极极耳更低，在发生短路时更容易熔断。

极耳弱化设计

方壳电芯的外壳目前市场上大多采用铝合金封装，厚度多为0.6mm。当电池发生热失控时，这样的封装很容易出现爆炸的风险。不过，方壳电芯在上盖上做了巧妙地设计可以有效避免这样地情况发生。

当电芯发生外短路时，正极极耳上的熔断器会发生熔断，保护电池不受到伤害；

当电芯内部由于内短路或者其他原因引起鼓胀时，外壳上的OSD翻转片会发生翻转，与负极发生短路，从而使熔断器熔断，切断反应。通常来说，方壳电池的外壳与正极短接，带正电。OSD翻转片通过焊接连接在外壳上，也带正电。反转片通常位于负极。顺便提一句，不是所有的方壳电芯都有这样的结构，很多磷酸铁锂电芯的外壳是无此结构的。

圆柱电芯的原理基本与方壳电芯相似。

图片来源 新能源Leader

图片来源 新能源Leader

电芯顶部设计有防爆阀，当电芯内部压力增大时，首先会防爆阀变形，切断电路，当压力继续增加时，防爆阀被打开，内部气体释放，避免爆炸。

三种电芯都在安全设计上做了一定的工作，相比软包电芯来说，方壳电芯和圆柱电芯所释放的气体能够定向爆破，更容易导出，但是，这种设计过于复杂，在实际工作中，往往会有部分电芯防爆阀打不开，带来很大隐患，而且，这种设计也导致成本偏高。

二、模组中的安全设计 

在模组设计中的安全设计通常是基于阻断热传递来考虑的。比如，在电芯中间添加隔热垫。

方壳模组中的隔热设计

软包电芯模组一般会在电芯中间设计缓冲泡棉，软包泡棉同时可以起到隔热的作用。

I-PACE模组的隔热设计

全设计是在方壳模组的爆破阀上方设置气体导引通道。

模组的上方为排气通道

突出部分为排气通道

在采样线的安全设计上，软包，方壳，圆柱电芯都选择设计熔断机构。通常来说，采用FPCB或者PCB设计的采样电路，会在电路中间添加熔断器。也有的厂家利用铝丝焊来连接电路，铝丝本身作为熔断器使用。

在模组级别的动力连接上，圆柱模组通过铝丝焊实现熔断设计，当模组发生外短路时，铝丝可以实现熔断，软包和方壳模组鲜见此类设计。实际上，模组级别的外短熔断设计意义不大，因为在系统级别一般会有熔断器，而且模组发生外短的可能性也很小。

三、系统中的安全设计 

在系统级别的安全设计比较常规的有主回路熔断设计，BMS防护等，这里介绍几种不常见的。

I-PACE中在模组和模组中间增加了隔热垫，防止模组之间热蔓延。

I-PACE中模组之间的设计

还有部分设计采用在电池箱中加注惰性液体或者易挥发的液体。利用液体隔绝空气，降低电池在失控时的温度。或者温度高时，液体蒸发，带走热量。

但是这种设计的缺点也很明显，首先时密封比较艰难，其次，会带来能量密度的损失。

浸泡液体