特斯拉(Tesla)汽車與其他大多數(shù)電動車、電動自行車、電動滑板車、電動堆高機，以及電動工具一樣，都使用鋰離子電池作為儲能介質(zhì)。通常，它們使用由數(shù)個電池和電池管理系統(tǒng)所組成的電池組，電池管理系統(tǒng)可確保電池保持在指定的工作參數(shù)范圍內(nèi)工作。為了達成此一目的，要能夠非常精確地測量充電電流和放電電流、電池電壓和溫度。至于也被稱為是“用火焰通風(ventingwithflame)”的熱失控(thermalrunaway)，溫度是決定性因素。

鋰離子電池的工作溫度范圍很窄，在+15~+45℃之間。電池單元的功能安全、使用壽命和循環(huán)穩(wěn)定性，以及電池和整個電動車或電動工具系統(tǒng)的功能安全，在很大程度上取決于是否能把電池單元維持在參數(shù)范圍內(nèi)。如果溫度超過臨界水平，便會發(fā)生熱失控。

何謂熱失控?

鋰離子電池的熱失控會引發(fā)停不下來的連鎖反應，溫度在幾毫秒內(nèi)迅速上升，電池中儲存的能量突然被釋放，因而產(chǎn)生大約400℃的高溫，使得電池變成氣體，從而造成幾乎不能以常規(guī)方式撲滅的火災。熱失控的風險從溫度在60℃時開始，而在100℃時變得非常關(guān)鍵，電池實際會在何時著火，則要視具體的情況而定。

鋰離子電池的熱失控如何產(chǎn)生?導致鋰離子電池發(fā)生熱失控的幾項因素如下：

˙內(nèi)部短路：由于事故或類似的機械沖擊，例如如果工具從很高的地方跌落下來，導致電池變形，材料會滲入電池并引發(fā)內(nèi)部短路。

˙外部短路：電池單元變形，引起外部短路。

˙電池過度充電超過數(shù)據(jù)表中所規(guī)定的最大電壓，例如為了增加電動車的續(xù)航里程而過度充電。視過度充電的程度，電池可能會永久損壞，或使電池的使用壽命縮短。

˙電池充電或放電時的電流過大，例如快速充電時。

如何降低風險?

為了把熱失控的風險降至最低，必須確保電池的機械和熱穩(wěn)定性。這項要求可藉由對電池單元和電池組的適當監(jiān)控機制來達成。

電池單元

電池單元的監(jiān)控至關(guān)重要。由于骨牌效應，如果一個電池單元發(fā)生熱失控，隨后就會擴及到其他電池單元、整個電池，乃至于整臺電動車或整個電動工具。圓柱形18650鋰離子電池具有出色的機械和熱力學性能：

˙它們的金屬外殼使其堅固耐用，并且可用作散熱器。

˙纏繞結(jié)構(gòu)可將陽極和陰極分開多次，從而提高安全性。

其他優(yōu)勢包括它們相對較具有成本效益，并且長久以來都是采用相同的外形尺寸。三星(Samsung)SDI可提供高質(zhì)量的圓柱形18650鋰離子電池。

三星SDI圓柱形18650鋰離子電池

但是，18650鋰離子電池也會發(fā)生熱失控，因此，熱管理系統(tǒng)是不可或缺的。由于熱失控會在極短的時間內(nèi)被觸發(fā)，而后無法停止，因此，除了全面的熱力學技術(shù)外，快速和精確的測量對于鋰離子電池結(jié)構(gòu)也是非常關(guān)鍵。羅姆半導體(Rohm)、Sensirion和意法半導體(STMicroelectronics)等公司皆可提供各自的傳感器產(chǎn)品。例如Sensirion的STS3x傳感器的響應時間只要2秒，精準度高達±0.1℃。在理想情況下，在每個電池單元上會有三個溫度傳感器，建議每個電池單元至少使用一個傳感器，每個電池組至少使用一個或兩個傳感器。

電池組

電池單元的數(shù)量和配置，在電池組中扮演著吃重的角色：

˙把二十四個鋰離子電池排成一列：溫度分布相對均勻。

˙3×8鋰離子電池：內(nèi)部熱點。

˙5×5鋰離子電池：內(nèi)部溫度較高的熱點。

液體冷卻系統(tǒng)、風扇、導熱板和導熱膜可冷卻電池，或耗散來自熱點的熱。風扇尺寸為2cm~14cm，高度則介于10mm~38mm之間，某些具有整合式脈沖寬度調(diào)變(PWM)、速度測量、速度計訊號或自動重啟功能。其中，凱美電機(Jamicon)或臺達電子(DeltaElectronics)提供的多款產(chǎn)品還具有客制化的連接器。

除了電池單元的配置之外，在使用風扇時，風扇的配置也很重要。測試結(jié)果顯示，當以1倍、2倍和3倍的額定電流對電池放電時，會出現(xiàn)令人驚訝的溫度分布，并且可能產(chǎn)生危險的熱點。因此，在設(shè)計配有風扇的電池時，不能只依靠假設(shè)來設(shè)計，而是需要進行精確的測量或使用現(xiàn)有的調(diào)查數(shù)據(jù)。

為了有效地散熱，推薦要使用導熱膜。松下(Panasonic)10μm~100μm既薄且輕的熱解石墨片(PGS)可提供特別高的導熱性(高達1,950W/mK)。

除了PGS外，還有一種NASBIS絕緣薄膜可減少熱點的熱量。將NASBIS薄膜放在電池單元之間，以防止電池單元的熱失控擴及到相鄰的電池單元，乃至于整組電池，其0.02W/mK的導熱性比空氣的低，因此可用于隔熱。NASBIS薄膜非常薄而且有彈性，所以可應用在狹窄的空間中。

鋰離子電池的專業(yè)知識

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