新能源汽車動力電池熱失控機理和安全風險管控方法的研究

周少杰

摘 要：新能源汽車作為國家戰略，經歷了“十二五”“十三五”兩個階段的快速發展，動力電池的應用數量和規模持續擴大。近年來，全球新能源汽車火災事故頻發，新能源汽車動力電池熱失控成為影響公共安全和公眾利益的重大安全風險。文章對新能源汽車動力電池熱失控機理進行了研究，從熱失控過程、熱失控傳播途徑、熱失控對系統和人員的危害等方面進行了闡述，從動力電池的設計、制造和使用等環節提出了新能源汽車動力電池安全風險管控方法，研究結果表明：加強動力電池熱失控機理和安全風險的研究，建立高效的管控體系是保障新能源汽車安全的有效途徑。

關鍵詞：新能源汽車 動力電池 熱失控機理 安全風險 管控方法

1 引言

作為國家戰略，新能源汽車已被列為我國七大戰略性新興產業之一，并在“十三五”規劃中被列為重點發展領域，在“十四五”規劃中被列為重點發展的關鍵技術領域。截至2020年12月底，全國新能源汽車保有量達122萬輛，占汽車總量的1.91%；新能源汽車保有量為82萬輛，占汽車總量的3.37%。根據中國電動汽車百人會預測，到2025年，我國新能源汽車保有量將達到500萬輛左右。動力電池作為新能源汽車的核心部件，其安全性關乎新能源汽車的生命安全和公共安全，對動力電池的熱失控機理及安全風險進行研究，對于保障新能源汽車的安全運行具有重要意義。

2 動力電池過充熱失控機理

過充是指動力電池在過充電過程中發生熱失控的現象，由于動力電池在過充電過程中會產生大量的熱，且這一過程中電池內部溫度會急劇上升，所以其發生熱失控的風險也會明顯增大。根據對新能源汽車動力電池過充熱失控階段劃分，可以將其分為：（1）未發生過充時：鋰離子在電池內部運動緩慢，溫度和電壓基本恒定，此時電池處于安全狀態。（2）開始出現過充現象：鋰離子在電池內部運動加速，溫度迅速升高，電壓急劇上升，同時產生大量氣體。（3）出現過充現象并開始產氣：鋰離子的運動速度和產氣量加快，同時溫度迅速升高，電池內部溫度急劇上升。

絕熱熱失控四階段劃分如圖1所示。

階段I中，電池SOC處于100%至142％的范圍。當 SOC達到100%時，電池內的熱量會急劇增加，這時電池溫度開始上升并很快超過其標稱的截止溫度。此時，正極材料表面開始出現析鋰，同時生成的氫氣在電解液中逐漸積累，同時放電時產生的大量熱也會進一步加劇電池的升溫。鋰離子在電池內部擴散的速度取決于其在電解質中的濃度，因此 SOC越高，鋰離子擴散速率也越快[1]。

階段II的終止SOC在140％至160％之間。由于此時電池溫度仍保持在較高的水平，因此此時并沒有發生明顯的產氣現象，同時電池還能維持其額定容量。但是，在這一階段電池表面析鋰現象變得更加嚴重，同時內部熱失控程度加劇。如果此時正極發生析鋰，則會在電極表面形成 SEI膜。而電解液的分解反應會導致大量氫氣從電解液中逸出，這也加劇了電池內部溫度的升高。同時由于電極表面 SEI膜的形成，電池內部發生嚴重的 SEI膜分解，這會導致電池容量的急劇降低。階段 III為階段 II的延伸階段。此時電池內部溫度較高，因此分解反應速度較快且不可逆，所以鋰離子在電池內部運動速度和產氣量都加快了。

階段III決定了電池發生熱失控后的最終結果，此階段的截止SOC約為180％。當溫度繼續升高時，電池內部開始發生劇烈的放熱反應，電池內部溫度迅速升高，當達到一定值時，電池內部壓力會急劇增大，從而導致電池發生爆炸。

鋰離子在電池內部的運動速度和產氣量隨著電池溫度的升高而迅速增加。同時由于電池內部壓力增大，導致電池內阻迅速增加并出現明顯波動。在階段 II中，由于放氣副反應造成的壓力增大，使電池產生更多的熱量。此外，由于放電電流的增加和內阻的增加，也會導致電池的溫升速率加快。在階段 III中，隨著溫度的升高和內阻的增加，電池容量急劇降低，并且不可逆的 SEI膜開始分解。

階段IV為電池過充熱失控的發生階段。電池在過充過程中會發生劇烈的放熱反應，所以此時電池內部壓力急劇增大，而且電池內部溫度也會急劇升高。在階段 IV中，當電池的溫度達到一定值時，電池內部就會發生劇烈的放熱反應，導致電池發生爆炸。當溫度繼續升高時，由于外部空氣進入到電池內部，并且在一定條件下與電解質發生劇烈反應并產生大量氣體，從而導致電池內部壓力急劇增大。同時由于電解質在高溫下分解并放出大量熱量，所以在這一階段電池的溫升速率將進一步增加。當溫度達到一定值時，由于鋰離子的運動速度和產氣量增加以及外部空氣進入到電池內部壓力急劇增大時，電池就會發生爆炸。

3 動力電池安全防護方法

動力電池安全管控流程如圖2所示。

3.1 電池單體安全性設計

電池單體的安全性研究主要按照鋰離子電池的結構展開，從電池的隔膜、正負極材料、電解液以及電池殼體設計展開研究。在正負極材料方面，目前廣泛使用的正極材料為三元材料（鎳鈷錳三元），其能量密度高、循環壽命長，但成本較高；負極材料主要為石墨，但其易受污染，造成容量衰減，因此需要對負極材料進行改性[2]；電解液的安全性主要通過電解液的成分、添加劑來實現，通常使用有機溶劑或混合電解質，而溶劑的選擇對電池的安全性有很大影響。電池殼體是電池外部結構部分，它能夠防止熱擴散、降低熱失控的風險。目前研究較多的電池殼體安全性設計方法主要是通過對電池殼體進行結構設計、熱管理系統設計以及密封結構設計來提高電池安全性。

隔膜作為鋰離子電池的關鍵材料之一，具有阻隔電極-電解質接觸的作用。目前，商業化的隔膜材料主要為聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚乙烯-聚丙烯（PE-PP）三種。由于聚乙烯材料具有較高的化學穩定性、電性能及機械性能，因此在鋰離子電池領域得到了廣泛的應用。但聚乙烯材料在電池工作過程中存在著易吸水、耐熱性差等問題，同時還存在著與電解液的相容性差、電化學穩定性差等問題，嚴重影響了聚乙烯材料在電池領域的應用。

為了提高鋰離子電池隔膜的安全性，許多研究者對其進行了改性研究。在鋰離子電池隔膜中，主要通過添加成核劑來增強隔膜的穩定性，提高隔膜的機械性能，以滿足在循環過程中保持穩定的結構。

3.2 電池系統安全防護設計

3.2.1 新結構電池

現有的動力電池包通常由“電芯-模組-整包”的3級結構組成，為提高電動汽車底盤利用率，提高電池能量密度，無模組技術（cell to pack，CTP）已經成為發展趨勢，例如比亞迪自主研發的刀片電池。該技術通過將多個單體電池模組集成在一個模組內，取消了模組中的電芯和連接線路，不僅大幅提高了電池包的空間利用率和系統能量密度，還可通過增加電池組數量有效降低整車的質量和能耗。

無模組技術在能量密度和空間利用率方面有一定優勢，但在安全性方面仍存在問題。單體電池與整包的接觸面積過大，而單體電池溫度上升時會向周圍的熱失控蔓延，一旦局部溫度達到一定閾值（如600℃），熱失控會向周邊擴散，進而導致整個動力電池包發生熱失控。相比于三元鋰電池，“刀片電池”使用穩定性更高的磷酸鐵鋰材料，且“刀片”形狀增大了電池表面與冷卻液和熱交換器的接觸面積，從而使“刀片電池”具有良好的散熱和安全性能[3]。

3.2.2 電池包結構優化

電池包結構優化和強化設計主要從電池包結構設計、電池包在整車的安裝、電池單體的排布、整車結構強化以及隔振等方面展開。在電池包結構設計方面，有學者利用多體動力學軟件建立了某款純電動汽車的動力電池包仿真模型，并對電池包進行了多工況碰撞仿真分析。結果表明，該動力電池包能夠有效抑制動力電池熱失控擴散，但其能量吸收效率較低。同時，通過對單體電芯和電池模組進行合理排布，可以進一步提升其能量吸收效率。在整車安裝方面，有學者研究了電池包在汽車上的安裝位置對其安全性的影響，結果表明：電池包在汽車前部安裝時，其碰撞能量吸收效率最高；在汽車后部安裝時，其碰撞能量吸收效率最低。此外，有學者將電池組排布在車身骨架上能夠有效防止電池組受到擠壓而產生變形。

4 動力電池安全預測與預警

4.1 動力電池熱失控早期報警方法

當電池發生熱失控時，會釋放出大量的可燃性氣體，如：CO、CH4、H2S、CO2和N2等。這些氣體主要是由于電池內部產生的高溫或者過充引起的。因此，在熱失控早期，應通過及時有效的報警手段來發現熱失控，將危險消滅在萌芽狀態。由于鋰離子電池在發生熱失控時，內部溫度會持續上升，因此其內部的氣體會隨之增多。對于鋰離子電池來說，過高的溫度會導致電池材料發生膨脹或變形而破壞電極結構，從而引起電池內短路或產生氣體等危險。

因此，可以通過監測電池的內部溫度來判斷熱失控，且在熱失控早期能夠及時采取措施來預防火災的發生。Sugiyama等提出了一種基于模型預測的方法，該方法通過電池的溫升速率來判斷熱失控的發生；Sumehameh等通過對電池進行模擬實驗，計算出在熱失控發生時，電池溫度與初始溫度之間的差異來判斷熱失控是否發生。Wang等提出了一種通過檢測電池內部產生的氣體含量來判斷熱失控發生的方法；Kokai等出了一種通過測量電池表面溫度來判斷熱失控是否發生的方法[4]。

理論上，采用電池組內瓦斯監控技術可有效提升電池組的熱失控預警能力，但該方法對電池組的封裝工藝提出了更高的要求，既要確保其探測分辨率、耐高溫性能，又要解決電池組內氣體間相互干擾等問題。然而，現有的熱失控預警方法由于受到傳感器精度及電池封裝工藝等因素的限制，尚不適用于動力電池系統。目前，基于蓄電池內部狀態的預警技術在應用中容易受運行工況和外界環境等因素的影響，很難實現對蓄電池內部狀態的精確估計。目前基于電池溫度、電壓、電流等外部參量的預警方法存在時效性差的問題，需要對其進行更深入的研究。

4.2 基于運行大數據的動力電池安全預警方法

以新能源汽車運行大數據為基礎，采用數據挖掘技術，進行動力電池熱失控特性分析，建立動力電池熱失控模型，開發安全預警與風險管控方法。

（1）根據動力電池系統各部分狀態參數的變化規律，建立動力電池運行大數據模型，對動力電池運行狀態進行實時監測，并進行相應的數據處理、挖掘和分析。

（2）以動力電池的實時狀態數據為基礎，利用數據挖掘技術進行分析預測，建立動力電池運行大數據模型。該方法主要包括以下3個步驟：①建立動力電池運行大數據模型；②分析運行大數據模型；③建立安全預警與風險管控方法。

（3）基于大數據建模的方法步驟如下：①將動力電池系統的各個狀態參數轉換為數值特征，以動力電池的實時狀態數據為基礎，利用數據挖掘技術建立動力電池系統運行大數據模型；②將動力電池系統各狀態參數與動力電池運行大數據模型的結果進行比對，從而驗證模型的有效性；③根據模型計算結果，結合安全預警與風險管控方法，確定安全預警等級，并對安全等級進行預警；④將安全預警結果傳遞給下一級別的安全監控系統，從而實現對動力電池系統運行狀態的實時監控[5]。

（4）基于大數據建模方法構建的動力電池系統運行大數據模型作為新能源汽車安全監控系統的重要組成部分，具有以下優勢：①利用大數據建模方法可以提高動力電池系統運行狀態監測數據的實時性；②利用大數據建模方法可以提高動力電池運行狀態監測數據分析精度；③基于大數據建模方法構建的動力電池運行大數據模型可以實現對新能源汽車安全監控系統運行狀態的實時監測和預警，從而保證新能源汽車安全監控系統高效、準確地運行。

5 結語

總而言之，動力電池熱失控是一個復雜的過程，其發生發展受多種因素的影響。文章主要從電池材料、設計制造、使用維護和環境條件四個方面對動力電池熱失控的發生機理進行了研究。通過分析不同因素對熱失控過程的影響，建立了一套基于有限元仿真模擬的熱失控模型，可用于預測和評估動力電池在不同使用條件下發生熱失控的風險。最后，從材料、結構、設計制造、使用維護和環境條件五個方面對動力電池熱失控進行了被動控制與防護的研究，主要包括抑制鋰離子電池材料的熱失控和改善電池結構設計及制造工藝，以提高動力電池安全性能，保障新能源汽車安全運行。

參考文獻：

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[3]洪吉超，梁峰偉，楊京松，李克瑞.新能源汽車產業及其技術發展現狀與展望[J].科技導報，2023，41（05）：49-59.

[4]樓高翔，雷鵬，馬海程，萬寧.不同回收補貼政策下新能源汽車動力電池閉環供應鏈運營決策研究[J].管理學報，2023，20（02）：267-277.

[5]周洋捷，王震坡，洪吉超，曲昌輝，山彤欣，張景涵，侯巖凱.新能源汽車動力電池“過充電-熱失控”安全防控技術研究綜述[J].機械工程學報，2022，58（10）：112-135.