新能源汽车动力电池安全技术研究综述

陈晓平

宁波工程学院机械工程学院（杭州湾汽车学院），315211，浙江宁波

2020年9月，习近平总书记在科学家座谈会上提出“四个面向”要求，为我国“十四五”时期以及更长一个时期推动创新驱动发展、加快科技创新步伐指明了方向。发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。我国一直高度重视新能源汽车产业的发展，2012年国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》和《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》以来，新能源汽车产业被确立为国家重点发展的七大战略新兴产业之一。“十三五”期间，国务院出台《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》与《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》等文件，继续加大对新能源汽车的投入力度，2019年，我国新能源汽车产销分别完成124.2万辆和120.6万辆，产销连续5年位居世界首位。

2020年11月3日国务院发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》提出：到2025年，我国新能源汽车市场竞争力明显增强，新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量20%左右的目标，到2035年，纯电动汽车成为新销售车辆的主流。新能源汽车主要依靠电能作为驱动能源，动力电池作为能量存储装置，是新能源汽车最核心的部件之一。

随着新能源汽车保有量迅速增加，涉及新能源汽车的安全事故日益频发。据统计，2019年全国至少有187起涉及新能源汽车的燃烧事故，其中动力电池问题是起火的主要原因。动力电池安全问题已成为新能源汽车发展的主要瓶颈之一，《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》在“新能源汽车核心技术攻关工程”中专门列出了“实施电池技术突破行动”，提出了要加强高强度、轻量化、高安全、低成本、长寿命的动力电池短板技术攻关。因此，本文重点分析目前新能源汽车电池安全的发展现状、主要问题，并对后续的发展提出建议。

1 动力电池安全技术研究现状

目前国内主流车型装配的动力电池以磷酸铁锂和三元电池（NCM）为主。其中三元电池（NCM）以更突出的能量密度等优势，近年来成为多数纯电动乘用车的选择。

1.1 机械载荷对动力电池安全性影响的研究汽车在使用过程中，很难避免承受振动、冲击、碰撞、石子弹击等机械载荷，当电池系统受到相应的载荷时，可能会发生电池变形、穿刺等损伤，导致内部短路发生、温度升高、电池体内压强上升，最终可能引发失火及爆炸等灾难性后果。

目前，很多研究机构和学者对动力电池机械完整性问题开展了大量的研究工作。主要采用试验和建模仿真的方法，研究电池材料、单体、电池组等在受到机械载荷情况下的短路失效情况。包括：（1）电池材料，如对电池的外壳材料、隔膜材料、正负极材料在受机械载荷情况下的准静态力学性能和动态力学性能进行试验和仿真研究，探索电池材料的力学失效准则，以及对电池短路的影响。（2）电池单体，如对电池单体进行力学性能试验和仿真研究，包括拉伸、压缩、三点弯、压痕、落锤冲击、针刺等载荷，测试电池的应力应变、温度变化、电压变化等参数，研究电池的短路情况。（3）电池组，如对电池组进行堆积效应试验和建模仿真分析，研究堆积下电池组在受挤压、冲击等载荷下的短路情况。（4）整车，主要是对电池包进行台车碰撞试验和仿真分析，研究汽车行驶速度下碰撞后的电池包变形情况和短路发生情况，研究电池组保护壳的力学性能等。

1.2 充放电对动力电池安全性影响的研究电池在充放电过程中，内部会产生焦耳热和材料微观组织变化，特别在过充电、过放电、大倍率充放电等情况下，会使电池材料隔膜、正负极材料、电解液等发生分解反应和相互作用，导致内部短路和急剧升温，最终导致热失控。

充放电对电池安全性影响的研究是目前电池安全研究的热点，尤其是快充技术对于新能源汽车使用的便利性至关重要。对于汽车着火事故分析，表明很多事故与充电有着紧密的联系。目前研究主要包括：（1）高倍率快充下电池组分的微观结构变化，通过试验和仿真手段，对电极析锂机理进行了研究，分析电池充电过程中电极表面锂离子析出和嵌入的过程，对电池热失控温度的影响。（2）充放电工况下锂枝晶的生长规律以及组分的变形情况，刺穿隔膜引起内短路的机理，研究内短路类型包括集流体铝-集流体铜、正极-集流体铜、集流体铝-负极、正极-负极等四种电路的短路机理及对热失控的影响过程。（3）在绝热密闭环境下测量不同充放电倍率下电池的热行为，研究电压、温度特性与热失控温度关系。

1.3 使用环境对动力电池安全性影响的研究使用环境对电池的性能有重大的影响，比如在高温或低温环境下，电池的容量及使用效率会受到很大的影响。环境温度过高会使电池在使用过程中内部组分发生化学反应，特别在散热不足情况下，会导致温升加剧，导致发生热失控等问题。使用环境包括盐雾、湿度过大等，也会对电池的安全性造成很大的影响。研究主要包括：（1）环境温度变化对电池组分、单体、电池包的力学性能、生热散热等影响，研究过热导致的电池内部链式化学反应，包括隔膜的熔解、电极活性材料与电解质的反应、SEI膜分解、电解液的分解等机理。（2）研究盐雾、湿度、海水浸泡等工作环境下，分析短路与湿度等参数关系，研究电池电化学特性与安全性。

1.4 电池状态对动力电池安全性影响的研究荷电状态(SOC)和老化状态（SOH）对电池的安全性会产生重要的影响，随着荷电量SOC的增大，电池发生热失控的危险性增加，随着使用次数的增加，电池的容量变小，同时安全性也变差，短路的风险增加。研究者主要开展了（1）不同SOC下，电池组分材料的力学性能变化、电池短路与SOC参数的关系，电池起火与SOC的关系，探索失效机理和准则。（2）研究不同SOH下，研究电池在运行过程中的内部温度、电压等参数变化规律，以及在不同充放电倍率和机械载荷下，分析不同SOH电池热失控的风险，研究电池老化机理和安全性之间的关系。

2 研究现状分析

2.1 电池短路机理研究方面力场、电场、热场以及化学反应场的耦合导致电池的失效行为及机理研究较为复杂且困难。目前电池失效机理研究还存在如下问题：一是冲击载荷下力－电化学－热耦合机制尚不明确；二是亟需发展可模拟锂离子电池结构的渐进失效行为的多尺度多场耦合模拟方法。

2.2 电池失效预测和控制方面BMS技术随着新能源汽车的发展也有了较大提升，前沿技术及理论也取得了诸多成果，已经从单纯的监控系统转变成了管理系统，但在参数采集、参数估算以及安全控制方面仍还无法满足保障电池使用安全要求。

3 今后的研究方向

3.1 新型电池材料研究发展新型电池材料、新型材料选择方法与理论以及阳极材料电化学反应机制将成为研究重点。开发更加安全的电极材料、稳定电解液，固态电解液、高强度隔膜等是今后的研究重点。

3.2 动力电池失效机理研究锂离子电池的失效模式多样，且很难用单一的物理量、准则或过程进行刻画。因此，明晰内部短路产生机制、传播行为，建立物理意义明确、简单易用、涵盖单体电池、电池模组、电池系统的失效准则，具有宝贵的工程指导价值。

3.3 多尺度多场耦合模拟方法研究为了实现对力－电化学－热耦合失效行为的分析和模拟，必须研究电池材料颗粒到电极、从电极到单体、从单体到电池包的渐进失效行为原理，并建立完善的多尺度多场耦合模拟方法体系，这也是今后电池安全性研究重点。

3.4 电池管理系统（BMS）研究随着大数据技术深入应用，可以基于大数据进行多方位的数据监控与对比，来提升自身的状态参数评估能力，电池安全管理能力及热管理能力。同时随着人工智能技术发展，BMS技术可以与人工智能技术相结合，能提高预测电池发生安全问题的时间余量，大幅提升电动汽车安全性。

4 结语

发展新能源汽车是我国汽车产业发展的重大决策。动力电池的安全性能决定了新能源汽车尤其是电动汽车的市场和未来，目前在电池安全领域已经开展了大量富有成效的研究工作，但是仍然不能有效避免因为动力电池短路、热失控等问题引起的交通安全事故。随着新能源汽车保有量的增长，该问题会愈发凸显。因此，开展动力电池安全研究对于我国占领新能源汽车技术高地意义重大。