新能源汽车动力电池热失控机理和安全风险管控方法的研究*

贾子润，王震坡，王秋诗，黎小慧，孙逢春

（1.北京理工大学机械与车辆学院，电动车辆国家工程研究中心，北京 100081；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081）

前言

新能源汽车是全球汽车产业转型升级、绿色发展的主要方向［1］。锂离子电池作为新能源汽车的主要动力电池类型，具有能量密度高、输出功率大、自放电小以及工作温度范围宽等特点［2］。然而，随着新能源汽车产业规模的扩大，着火事故日趋增加，其中90%以上是由动力电池热失控诱发［3］。热失控事故导致了消费者的安全焦虑，严重阻碍了产业的发展，为保障驾乘人员生命财产安全，提振新能源汽车消费信心，突破动力电池应用过程中安全、健康评估以及安全风险预警的难题，开展动力电池安全管控技术的研究势在必行。近年来，动力电池热失控诱发与反应机理、电池老化过程的安全问题以及动力电池热失控的防护与防控方法已经成为新能源汽车领域的研究热点之一。

关于动力电池安全问题，国内外研究人员开展了大量研究。法国的Abada等［4］围绕锂离子动力电池的安全建模问题进行了总结；美国的Bandhauer等［5］对锂离子动力电池的热安全性问题进行了评述。国内Wang等［6］开展了针对锂离子电池热失控的理论、模型和基本化学反应的研究；Hu等［7］总结了电池失效机理及诊断方法；孙振宇等［8］围绕新能源汽车动力电池系统故障诊断技术进行了总结；Sun等［9］综述了电动汽车锂离子电池火灾安全研究的现状。以上研究为锂离子动力电池热失控的安全风险管控技术发展提供了指导，随着近年来大数据、人工智能等新一代信息技术的发展，电池安全风险管控的新思路不断涌现。

以全面反映动力电池热失控安全管控的研究现状和技术发展趋势为目标，从锂离子动力电池热失控的诱发和反应机理、安全管控方法两方面展开综述。在动力电池热失控机理研究部分，将诱发电池热失控的因素归纳为外部滥用以及电池老化造成的内短路，并在此基础上阐述了不同诱发因素对应的内部机理和外部表征，为电池材料更新和结构设计、热失控预警报警理论研究、热失控扩散隔离以及有效灭火材料开发提供理论基础；在动力电池的安全管控方法研究部分，根据动力电池生产、使用到热失控的发展顺序，从锂离子动力电池安全防护设计、动力电池安全风险预测与预警以及热失控被动控制与防护3个不同阶段综述了锂离子动力电池的安全风险管控方法，并在本文最后对未来的技术发展方向和前景进行了展望与总结。

1 锂离子动力电池热失控机理

锂离子动力电池“热失控”是一种由电池温度急剧上升而导致电池出现不可逆的失效现象（如电池起火、短时内性能明显下降等），通常由电池内部物质发生连锁反应引起［10］。机械滥用、电滥用、热滥用等外部的极端条件均会导致电池发生热失控［11］，因此，研究热失控诱发条件和发生机理（内部机理），阐明热失控行为特性（外在表现），能够为电池系统安全防护设计和安全管控技术研究提供理论基础。

诱发动力电池热失控的原因复杂，大体上可分为机械滥用（碰撞、挤压、穿刺）、电滥用（过充、过放和外短路）、热滥用（外部高温烘烤）以及电池老化所引起的电池内短路等［12-13］。图1对不同滥用情况所诱发的热失控行为进行了总结。

图1 锂离子动力电池热失控诱发原因

机械滥用产生的起因通常是由于电池或电池组遭受外力（如碰撞等）的影响，从而引起了电池的机械变形和结构破坏。在汽车碰撞事故中，电池组可能受到挤压而发生变形或被尖锐部件刺穿，从而导致隔膜破坏和电解液泄漏，会直接导致电池发生内短路而引发热失控［14］。当前针对动力电池的机械滥用的研究主要从电池组件（外壳、电极、隔膜和集流体）、单体电池、模组或电池包以及整车层面展开［15］。

电池组内部的电池单体不一致性差异会导致动力电池系统出现电滥用［16］现象（常见的电滥用情况包括过充电［17］、过放电［18］、外短路［12］等）。电滥用会导致电池的正负极活性物质、固体电解质界面（SEI膜）以及电解液等电池内部物质发生分解，进而释放出反应热，危害动力电池的使用安全。

热滥用一般是指由于环境温度过高（例如高温烘烤等）导致电池过热，进而引发电池热失控的现象。在实际使用的过程中，热滥用并不会主动发生，而是由于电池周围温度过高（高环境温度或由邻近电池的热失控引起的高温）所导致。当热滥用发生时，电池系统中会出现热失控的连锁反应，导致严重火灾事故。目前围绕热滥用的问题，主要从试验［19］和建模［20］两方面进行了研究。

除机械滥用、电滥用、热滥用等外部滥用会导致电池发生内短路外，在电池正常循环充放电使用过程中，其会随着使用而老化，电池内部出现锂沉积、电极被结构破坏、电极材料发生相变、正负极活性材料和电解质发生分解等［21-24］，导致电池容量衰减和内阻增加，使电池系统安全性能衰退。电池副反应生成的枝晶等尖锐物质还可能会刺穿隔膜导致电池发生内短路，最终发生热失控［25］。

还有一种内短路是由于电池自身的制造缺陷（例如电池内部混入的杂质等）而导致的自发型内短路，这种情况会伴随电池的全生命周期，不会突然发生［13］。

目前，已有大量围绕电池外部滥用方式、电池老化机理以及热失控各阶段内外行为特征的研究，表1总结了锂离子动力电池热失控不同诱发条件的对比。为提取热失控特征参数，建立动力电池热失控风险预测预警机制提供了基础。但动力电池实际运行条件复杂多变，热失控可能由于多种诱发方式共同作用，故研究单一诱发方式具有一定的局限性。

表1 锂离子动力电池热失控诱发条件对比

2 动力电池安全防护方法

在对锂离子动力电池热失控触发机制和反应机理研究的基础上，为预防、阻断和延缓热失控的发生与扩展，最大限度地保障驾乘人员的生命财产安全，从锂离子动力电池设计阶段、热失控触发前以及热失控触发后3个不同阶段总结了动力电池安全管控方法，其分类如图2所示。

图2 动力电池安全管控流程

在动力电池安全防护方法的研究中，国内外学者主要从电池材料、电池单体和电池系统3个层面展开大量研究。表2对当前电池安全防护设计的研究进展进行了总结。下面将从电池单体（材料、结构）和电池系统（结构、热管理系统）两方面进行综述。

表2 电池安全防护设计

2.1 电池单体安全性设计

电池单体的安全性研究主要按照锂离子电池的结构展开，从电池的隔膜、正负极材料、电解液以及电池壳体设计几方面进行大量研究。

在电池运行过程中，隔膜的破坏会引起电池的内部短路，导致电池内部发生强烈的氧化还原反应，产生大量焦耳热，引发电池的安全问题。导致隔膜发生破坏的因素主要有两种，一是电池滥用（如冲击、机械穿透等），二是由于不均匀的锂沉积导致电池形成锂枝晶，并随着循环次数增加，枝晶逐渐增大并刺穿隔膜［37］。Li等［38］设计了一种3层的电池隔膜，由聚醚醚酮和聚甲基丙烯酸甲酯等物质组成；该隔膜具有良好的抗冲击性和稳定性，中间层可以在电池温度过高时堵塞膜的孔隙，阻止锂离子交换反应的发生。Shi等［39］采用陶瓷涂层包覆或设计具有闭孔效应的隔膜材料来提高隔膜收缩、熔化温度，增强高温隔绝，从而提高隔膜的安全性；Pan等［40］制备了一种3层结构的隔膜，在隔膜的表面均匀分布了纳米孔，并利用高锂亲和力的材料加速释放金属表面张力，进而促进锂离子的均匀沉积，避免锂枝晶刺破隔膜而导致安全问题的发生。

在安全的正极材料方面，Jo等［41］研制了一种热稳定性高的镍钴铝三元锂离子电池正极材料，通过实验测试发现，该材料比Li［Ni0.8Co0.15Al0.05］O2具有更高的热稳定性。Sasaki等［42］在Li（Ni，Co，Al）O2正极材料中掺杂了Mg，并通过扫描电子显微镜和原位同步辐射X射线衍射测量研究了在过充电条件下其结构的变化，其结果表明，在过充电条件下，Mg可使正极材料的稳定性增加，微观粒子不易破裂，提高了锂离子电池的耐电滥用能力。

固体电解质界面（SEI膜）的溶解会导致锂离子电池负极的安全问题，当SEI膜在高温下破裂时，嵌入锂中的碳材料与电解液发生反应，产生大量的热量和气体，这也是导致锂离子电池安全性的问题之一。安全的负极可选用一些锂合金材料例如Li4Ti5O12等，Li4Ti5O12具有无锂沉积的优点，且与石墨相比具有更低的自加热温度，在高温下产生的热量更少，从而提高了电池的稳定性［43］。在电解液中添加添加剂可以提高SEI膜的稳定性，Menkin等［44］设计了人工SEI膜，可以使电极的结构更稳定，且使电池具有更长的循环寿命，使锂离子电池的安全性能得到提升。

构成锂离子电池电解液的主要材料是锂盐和具有挥发性和易燃性的有机溶剂，也是引起电池热失控起火爆炸的重要因素之一。提高电解液安全性的方法主要有添加阻燃剂（例如磷酸三甲酯、氟化亚磷酸盐等）、采用不易燃的电解液以及水系电解液、固体电解液等。Xia等［45］通过合成一种高效阻燃添加剂，在石墨阳极和LiCoO2阴极上表现出良好的电化学相容性，在高压锂离子电池中具有广阔的应用前景。Zeng等［46］研发了一种不易燃的含氟碳酸盐浓缩电解质，在硅基电极中表现出较好的电化学性能及安全性。水系电解液具有不燃性，Reber等［47］将双（氟磺酰亚胺）盐水溶液作为电解质，发现高浓度的NaFSI溶液具有更高电导率和稳定性，使水系电解液成为有望成为锂离子电池规模生产使用的电解液。近年来，固态电解质由于其本身的特质，可以减少或完全消除泄漏、挥发以及爆炸的风险，受到广泛关注。Chen等［48］设计了如图3所示的锂离子凝胶电解质，通过将离子固定在纳米多孔氧化锆（ZrO2）支撑的基质中，使ZrO2骨架与Li盐相互作用，从而促进了Li+的解离和运转，使电池具有优异的循环性能和放电性能，并具有显著的高安全性。

图3 锂离子凝胶电解质示意图（（a）固态电解质示意图；（b）LiTFSI、ZrO2和ZrO2-LiTFSI的结构及相应的解离能；（c）ZrO2粒子与液态电解质的相互作用及Li+的输运路径示意图）

除提高电池材料的安全性外，国内外研究者从电池壳体的设计出发，设计了安全阀、热熔丝、正温度系数电极等，确保电池在滥用情况下的安全性能。由于电池在滥用情况下内部会产生气体，导致内部压力不断增加，设计安全阀使气体溢出，降低了电池爆炸的风险。Kim等［49］设计了一种如图4所示的采用反向挤压和压印工艺制造的安全阀，并进行了破裂试验，证明了该安全阀具有安全效果。热熔丝可以在电流超过阈值之后熔断，但是电压过高时，热熔丝的断开并不会中断锂离子电池热失控反应［50］。在正温度系数电极方面，Chen等［51］将导电石墨烯涂层的针状纳米结构（纳米针状）镍颗粒和热膨胀系数大的聚合物作为电池的电极，可以在异常条件下（如过热、短路）隔断并在常温下恢复正常，展现出良好的稳定性能。

图4 安全阀构造以及工作原理

当前针对动力电池单体的安全性设计主要从材料和结构两方面开展大量研究。在材料开发方面，使用陶瓷隔膜、在电解液中增加阻燃添加剂等是提高锂离子电池材料安全性的有效手段；在结构设计方面，增加泄压阀、热熔丝等可以防止热失控的进一步扩散，有效提升动力电池的安全水平。

2.2 电池系统安全防护设计

在动力电池系统安全性的设计方面，研究者开展了新结构电池、电池包结构优化和强化设计、过流过压安全设计、热管理系统优化等方面的研究。

2.2.1 新结构电池

开发新结构电池成为近年的研究热点，现有的动力电池包通常由“电芯-模组-整包”的3级结构组成，为提高电动汽车底盘利用率，提高电池能量密度，无模组技术（cell to pack，CTP）已经成为发展趋势，例如比亚迪自主研发的刀片电池［52-54］，如图5所示。

图5 “刀片电池”动力电池系统

比亚迪的“刀片电池”采用层压工艺制造，正负电极首先被裁断成单片，然后在隔膜上多层堆叠形成极芯，然后采用热压的方式将极片与隔膜固定。相比于三元锂电池，“刀片电池”使用稳定性更高的磷酸铁锂材料，且“刀片”形状增大了电池表面与冷却液和热交换器的接触面积，从而使“刀片电池”具有良好的散热和安全性能。

此外，广汽埃安开发了“弹匣电池系统安全技术”（以下简称“弹匣电池”）［55-56］，长城汽车开发了“大禹电池”［57］。“弹匣电池”使用三元锂材料，通过自我修复的SEI膜、高安全性的电解液以及自聚合高阻抗界面膜降低了热失控的反应热；通过在相邻电池之间增加带有晶格纳米孔隔热层的电池安全舱，控制了电池温度的扩散；通过液体冷却系统、散热通道和热传导通道，使电池的散热面积提高40%，散热效率提高30%。长城汽车的“大禹电池”采用三元锂材料，并通过提高镍元素的比例实现了更高的能量密度；在结构上，电芯之间使用复合材料，并采用双向换流将产生的热量分布到整个电池包上；当电池热失控时，通过电池防爆阀和气火流路径，引导火源迅速至灭火通道排除，以避免热失控风险的发生。

2.2.2 电池包结构优化

电池包结构优化和强化设计主要从电池包结构设计、电池包在整车的安装、电池单体的排布、整车结构强化以及隔振等方面展开。Yooncheol等［58］基于优化设计理论并结合有限元分析设计了具有轻量化、大容量的锂离子动力电池包结构，该电池包能够减小电池遭受冲击后的变形。此外，有学者借助于横向构件将电池包分成多个电池模组隔室［59］，以及通过有限元模型分析，对电池薄弱部位进行加强［60］等方式提升电池包安全性。特斯拉公司采用如图6所示的动力电池系统安全防护结构，通过动力电池模块之间隔板隔断、动力电池箱与车辆乘员之间增加隔热层以及火焰方向引导等方法实现了高安全电池箱设计。Xu等［61］设计了一种具有矩形小通道的冷却管，以防止锂离子电池热失控的发生。研究发现，该矩形管无法抑制电池单体发生热失控，但可以防止热失控的扩散。

2.2.3 电池热管理系统

温度对锂离子电池的循环寿命和安全性有很大影响，在低温时电池活性降低，并发生容量衰减，高温时产热加剧，易引发安全隐患［62］。当电池在25～40℃的温度范围内工作时，可获得最佳的安全性能和最长的循环寿命［63］，因此需要电池热管理系统（battery thermal management system，BTMS）来保持电池工作温度在安全范围之内。

目前最常见的冷却方法有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却等。空气冷却依赖于外部风扇等设备，迫使气流进入设计管道，通过转移锂离子电池产生的热量，从而进行系统冷却，是当前可实车应用的最简单冷却方法。Hakeem等［64］研究了不同空气流速和不同电流倍率下动力电池热管理系统的冷却性能。研究结果表明，增加空气流速可有效提高散热效率，并降低电池间温差。但在高倍率放电时，仅仅改变空气流速无法将锂离子电池的温度控制在55℃以下［65］，对电池组内的温度不一致性产生明显影响，导致温度升高，造成安全隐患。

与空气冷却技术相比，液体冷却具有更高的导热性能和更好的热响应，可使电池组中的温度分布更加均匀。叶海军［66］通过搭建电池组与微通道冷板组合的液冷散热模型来评估电池在不同充放电条件下的散热性能，研究结果表明增加流道数量可以降低电池组的温度不一致性，缓解锂离子电池的热安全问题，避免热滥用引起的动力电池组的热失控。当前液体冷却主要使用水或乙醇水溶液等液体，导热性能较差，研究人员通过使用添加剂或改进的冷却剂来提高冷却效率，使电池在合适的温度区间内工作，以保证电池的安全性能。然而，液体冷却对电池组的密封要求较高，且管道、流量泵、制冷设备等部件增加了冷却系统的复杂性。

相变材料（见图7）可以在升温时吸收热量，从而将固体转变为液体，且具有稳定、无毒、不易燃、不易爆等特性，在电池应用中具有巨大的加热和冷却潜力［67］。但在低温下相变材料具有低导热性且在融化后会产生体积膨胀等问题［68］还亟待解决。

热管冷却通过相变传热，将电池模块内的热量转移到周围环境中，以此来控制电池温度，并显著降低电池模块间的温差［69］，具有效率高、冷却性能好的优点。脉动热管（oscillating heat pipe，OHP）由于具有效率高、冷却性能好以及良好的传热特性和环境适用性等优点，在新能源汽车的热管理系统中具有很好的应用前景［70］。

除单一的冷却方式外，复合冷却方式得到大量关注。有学者采用在电池包内填充相变材料（PCM）、水凝胶以及组合材料（例如混合泡沫金属或膨胀石墨等）的方式，对电池进行快速散热，以及相变材料与热管等技术结合的方式，使电池的温度保持在安全可控的范围内，有效阻止了热失控的发生［71］。

3 动力电池安全预测与预警

3.1 动力电池热失控早期报警方法

锂离子电池的热失控潜在诱因多，演变规律复杂，在事故发生前具有很强的隐蔽性，因此研究热失控的准确和早期报警是提高动力电池系统安全性的重要手段。当热失控发生时，电池参数（如温度、电压和电流以及产生的气体浓度等）都会发生变化，因此将变化的电池参数作为热失控的识别参数，研究动力电池热失控发生前短期内行为特性的演变过程，可为研究热失控早期报警机制提供重要的研究依据［73］。

热失控的早期预警方法可以分为3类：（1）通过电池外部参数（如电压、电流和温度等）进行热失控的报警；（2）通过电池的内部状态的预测对热失控进行预警；（3）基于电池内部产生气体检测的预报警方法。Li等［74］将电阻温度传感器（resistance temperature detector，RTD）放置于电池电极集流体后，以承受恶劣的电化学环境，且通过建立温度预测模型来对电池表面温度进行预测，以此对电池热失控进行早期预警，避免起火事故的发生。通过光纤布拉格光栅传感器（fiber bragg grating，FBG）对电池内部状态进行间接测量成为一种新的动力电池热失控报警思路［75-76］。美国帕罗奥多研究中心公司PARC（Palo Alto Research Center，Inc.）［77-78］设计了嵌入电池内部的光纤传感器（图8），光纤的折射率、折射光波长会随电池内部应力和温度变化而变化，以此来达到电池热失控报警的目的。美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室［79］提出了一种基于电池内部状态的快速阻抗相移监测方法的热失控早期预警方法，其实验结果表明，该方法可以比电池表面温度监测方法更有效地进行热失控早期预报警。

图8 嵌入电池内部的光纤传感器（（a）电池单体嵌入光纤传感器示意图；（b）嵌入光纤传感器实物图）

在热失控早期，温度和电压等特征参数的变化仍不明显，但却可以检测到电池内部副反应产生的大量气体物质。Larsson等［80］通过电池的热滥用实验发现电池发生热失控之前会释放出烟雾和气体（如HF、CO等），并可用通过红外光谱气体测量仪进行检测，故利用气体检测传感器检测气体的产生是实现动力电池热失控报警的一种有效方法。Fernandes等［81］提出基于气体检测装置的电池热失控早期预警技术，利用高分辨率的气体检测装置，实时监测了26650型LiFePO4锂离子电池从正常状态过充电至热失控状态过程中会产生大量碳酸二甲酯（DMC）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、碳酸甲乙酯（EMC）、甲烷（CH4），以及有害气体CH3OCH3、CH3OCHO、C2H4等，且电池的产气速率急速上升，可实现电池热失控的及时报警。美国Nexceris公司［82］公布了一项基于气体监测的锂离子电池热失控自动报警系统的发明专利，该系统可以监测电解质反应所产生的气体，以此作为热失控早期预报警信号。其结果显示，该技术可以在热失控达到峰值前7～8 min实现报警，比温度传感技术早7.4 min。Raghavan等［83］在电池内部布置光纤传感器，通过检测输入电池的光线在不同浓度气体下的光电信号，来检测电池内部状态，可以实现电池热失控早期的报警。

理论上，通过电池内部气体监测技术可以提高热失控的预报警效果，但该种预测手段对电池封装技术要求高，须保证传感器的检测分辨率、耐高温能力，且解决电池内部气体之间干扰的问题。因此，受限于传感器精度和电池的封装工艺，上述的热失控预报警技术目前并不适合在动力电池系统上大规模应用。基于电池内部状态预测的预报警方法在实际使用过程中，易受到运行工况、外部环境等因素的影响，难以进行准确估计电池内部状态。基于电池温度、电压和电流等外部参数的预报警技术具有时间短的缺点，如何进一步实现长时间尺度热失控预报警还须进一步深入研究。

3.2 基于运行大数据的动力电池安全预警方法

在热失控早期预报警技术的基础上，研究对新能源汽车电池系统长时间尺度的预警，不仅是保护驾乘人员生命财产安全的关键，也是促进新能源汽车市场健康发展的重要保障。随着新能源汽车智能化和网联化程度的提高，车载信息系统的功能越来越全面，在车辆的日常运行过程中会产生大量的结构化、非结构化以及历史数据等［84］，这给新能源汽车的安全风险预警提供新思路。

在实际运行大数据驱动的动力电池热失控预测预警方面，国内外研究人员开展了大量研究。孙逢春等［85］和沈阳［86］都相继开展了电动汽车远程监控系统设计的研究，吴建荣［87］设计了电动汽车远程监控系统并基于该系统进行了动力电池安全方面的研究，袁弘等［88］通过云计算技术和车载终端设计了电动汽车安全预警系统，通过行驶过程中电池的真实数据实现电池安全风险的预警，及时发现电池安全隐患。经过多年发展，在新能源汽车领域，上汽、北汽、吉利等车企在工信部的政策指导下搭建了大数据平台，北京理工大学王震坡等主持建设了新能源汽车国家监测与管理平台，以实际车辆运行数据为基础，开展了新能源汽车安全风险预警的研究，如图9所示。目前基于新能源汽车大数据平台制定了动力电池系统3级预报警机制，并设定了相应的触发阈值，现已成功应用于全国电动汽车运行监控系统。

图9 大数据下的动力电池安全风险预警

电池单体成组后的单体不一致性是导致电池系统安全性问题的根源之一。由于电池的生产工艺以及在使用过程中环境等不可控因素的影响，会使动力电池组内的电池出现剩余容量差异过大的问题，进而在充放电过程中，出现过充电和过放电等电滥用现象，直接影响动力电池系统的安全性，且电压极差是动力电池系统安全性的重要影响因素［89］。因此，围绕动力电池组的不一致性问题进行预测分析，提前发现异常电池单体，是进行动力电池安全风险预警的一种有效手段。Liu等［90］提出了一种基于熵值理论的电动汽车电压安全风险实时识别机制，并通过熵权重法来计算客观权重，其结果表明，可有效识别出电池电压的异常风险。Wang等［84，91-93］基于新能源汽车实时运行数据，结合信息熵方法，提出了动力电池系统安全风险的预测方法，可以对电压以及温度的异常进行热失控的诊断和预警，其验证结果表明该方法可准确预测电池系统内电压或温度异常，且对异常单体进行定位。

Richardson等［94］建立了电池容量衰退模型，可以预测各种使用场景下的容量衰减；卢明哲［95］基于实验室数据和电池在线数据，采用SVM方法估计电池内阻等参数的变化趋势，对动力电池运行过程可能出现的安全风险进行预测。Gan等［96］将实验数据与电动车辆的实际运行数据相结合，通过实验数据建立了锂离子电池过放电安全风险的评估与预测模型，选取放电过程中影响电压的特性参数作为模型的输入，并通过实际运行的电动汽车数据验证了该方法可有效检测电池过放电安全风险。Zhao等［97］提出了一种基于大数据统计方法的新能源汽车安全预警方法，通过机器学习算法和3σ多级筛选策略（3σ-MSS）对电池系统中电压异常的单体进行筛选，并通过实车数据进行了有效性验证，为开展大数据技术动力电池系统潜在风险预测的研究提供指导。

将大数据分析和人工智能算法相融合，研究动力电池安全预警技术，可以为全面提升我国新能源汽车的运行安全水平打下坚实的基础，并为全球新能源汽车产业的发展提供动力。目前，大数据分析技术已经初步应用于电池系统安全风险预测、预警和衰退分析预测，但由于数据稀疏、特征参数耦合和电池强非线性等问题的限制，如何进行安全风险预警技术的工程化验证及应用，仍须进一步研究。

4 动力电池热失控被动控制与防护

当锂离子电池单体的热失控不可避免时，须及时对着火的电池单体进行隔离并灭火，以避免热失控单体引起的高温导致相邻电池发生热滥用，进而导致单体热失控在整个电池包的扩展，引发严重的火灾或爆炸，且释放出可燃、可爆和有毒烟雾。电池热失控导致的火灾具有危害大且不可控、易发生蔓延和复燃的特点，因此开展热失控的隔离和灭火研究，对减缓火灾的蔓延、控制热失控产生的危害以及提高锂离子电池的被动安全性十分重要。

4.1 热失控扩散隔离

通过使用隔离装置，可以抑制热失控扩展速率，从而降低整车热失控的概率，当前热失控的隔离装置主要从材料和结构两方面开展研究。

在阻燃防护材料开发方面，Larsson等［98］通过建立如图10所示的热失控扩散模型对不同厚度的铝和玻璃纤维两种阻燃材料进行研究。研究结果表明，阻燃材料的厚度增加可更好地防止热失控的扩散，但厚度的增加会阻碍电池的散热，故如何平衡两者之间的关系对热失控的扩散控制十分重要。Yuan等［99］把石墨复合材料和铝作为阻燃材料来进行热失控扩散抑制的研究，并验证了其有良好的抑制热失控扩散效果。高飞等［100］制备了以三元乙丙橡胶为基体的阻燃防护材料，该材料可以隔离电池单体爆燃时释放出的热量，控制电池单体壳体表面温度不超过50℃，进而阻断了热失控在电池系统内的扩散。李向梅等［101］就三元乙丙橡胶对锂离子电池热失控过程中的阻燃效果进行研究。研究发现，采用3 mm的三元乙丙橡胶阻燃热防护材料可以起到有效的阻燃作用。杨凯等［102］设计了由硅酸盐骨料、水玻璃、硅溶胶等多种材料复合的隔离材料，该材料在电池热失控时具有阻燃与隔热的效果，而在低温时具有一定的散热性，可以不影响电池的正常散热；且为防止电池膨胀而导致隔离材料结构被破坏，在材料中增加了增强纤维，经过实验验证了该材料可以有效抑制电池热失控的蔓延。

图10 不同热失控阻燃材料对热失控的阻隔效果（（a）热失控扩散模型；（b）热模型中不同位置温度情况；（c）不同厚度阻燃材料对温度的影响（铝和玻璃纤维））

在结构优化设计方面，Feng等［103］通过建模的方式对大容量锂离子电池热失控的扩展情况进行研究，提出了提高热失控触发温度、减少热失控过程中的放热能量、提高散热水平和在电池单体间增加隔离层等阻止热失控扩展的措施。特斯拉在结构优化方面发表了大量专利，通过设计由一个或多个间隔器组成的电池支架［104］，使电池在预定位置发生热失控，降低对相邻单体的影响，降低了热失控扩散的风险；且在电池组中设置热隔离器件［105］，采用将电池组分区的方式，控制热失控发生后不扩散，其中的热隔离器件由高导热层与低导热层组成，可与液冷等散热方式耦合，通过隔热与散热相结合的策略抑制热失控的扩散。Hu等［106］在电池模块壳体内放置由导热层和保温层构成的复合导热板，来防止热失控传播。

4.2 电池灭火方式

锂离子动力电池引起的火灾，一般具有持续时间长、温度高、耗水量大、灭火难度大等特点，且灭火剂无法中断电池内的连锁放热反应，灭火剂释放后电池温度继续上升，会导致电池复燃，因此灭火剂的选择对保证电池防护安全十分重要。

刘昱君等［107］比较了ABC干粉、七氟丙烷、水、全氟己酮和CO2的灭火效果。结果表明，使用这4种灭火剂可以有效扑灭电池热失控引起的明火，其中水的温升抑制作用最好，而CO2熄灭明火后会发生复燃。Luo等［108］通过大量针刺引起的火灾实验，比较了不同灭火剂的灭火效果，发现含添加剂细水雾灭火系统的灭火效果明显。Zhu等［109］通过在纯水中加入一定比例的表面活性剂，研究表明添加表面活性剂细水雾在短时间内降低了爆炸过程中产生的温度，可以有效减缓热失控的扩散，减缓了爆炸过程的进行。郭莉等［110］验证了不同压强的细水雾对电池模组热失控的灭火效果，得到10 MPa以下的细水雾压强与灭火时间呈反比关系，且随压强增大，细水雾的包络性、绝缘性能增强，灭火速率和降温速率均提高，但同时成本也会增加。在不同压强的细水雾中，6 MPa及以上细水雾灭火效果更好。姜乃文［111］对不同功率等级、不同数量、不同排列方式的锂电池进行了燃烧实验与细水雾灭火实验，详细分析了锂电池热失控的原因以及锂电池火灾的细水雾抑制机制。于东兴等［112］对七氟丙烷的灭火效果进行研究，证明10%浓度的七氟丙烷可有效扑灭电池火灾中的明火；且将热失控电池浸没在七氟丙烷中20 min内未发生复燃，保证了热失控产生的气体不足以被引燃，为专用灭火装置的研究奠定基础。

4.3 车载动力电池灭火系统

除传统的热失控隔离和灭火措施外，将人工智能以及嵌入式系统运用到电动汽车的热失控防护问题上，是当前研究的重要方向，如图11所示。长安大学在智能灭火方面开展了大量研究［113-114］，张绪祥设计了基于SVM分类器的锂电池舱火灾预警及灭火系统，通过电池舱的温度和烟雾浓度作为特征对是否起火进行识别，将发生火灾的可能性以概率的方式输出；在识别到火灾之后通过气溶胶作为灭火剂进行灭火，实现对电池舱火灾的预警与控制；刘煜研制了一种车载锂电池舱智能灭火系统，该系统基于贝叶斯网络，用温度、烟雾等参数实现对火灾的多方位监控，并通过干粉灭火剂对热失控的电池进行灭火处理。赵黎华等［115］提出并设计了一套具有自动灭火装置的锂动力电池环境性能实验箱，采用七氟丙烷灭火剂进行灭火。胡振恺等［116］将电池的报警和灭火方法相结合，开发了火灾报警系统和分阶段报警策略，并在七氟丙烷灭火系统的基础上开发了水喷淋灭火系统，并添加到系统中测试系统的有效性。

图11 车载动力电池灭火系统

当前对于热失控扩散控制方面的研究主要从材料和结构两方面开展，热失控隔离装置的隔热性能和厚度对热失控扩散的控制效果有直接影响，但电池的隔热与散热是相互矛盾的，与电池的热失控隔离形成的封闭空间不同，电池散热需要一个开放的空间，如何做到电池隔热与散热之间的平衡是须深入研究的问题。对灭火剂的研究主要是通过灭火介质熄灭电池热失控产生的明火，降低电池表面温度，减缓热失控电池的扩散速度，进而减少电池包内发生大规模热失控的可能性。

灭火剂的冷却效果与其防止电池复燃的能力呈正相关。然而，由于电池类型和安全性的差异，目前没有一种灭火剂可以适用于所有类型的电池火灾，故设计开发新型的灭火剂，可以为提升动力电池的安全性和可靠性提供必要的技术保证。智能灭火系统主要通过各种传感器对电池燃烧的产物进行识别，但在车辆的实际行驶过程中，外部环境对传感器的影响不可忽略，提高系统对热失控识别的准确度，将电池热失控的隔离装置以及有效的灭火剂与车载智能灭火系统相结合，将是电池热失控被动防护的主要发展方向。

5 结论

综上所述，国内外研究人员在动力电池热失控机理和热失控安全管控研究等方面取得了阶段性进展。但热失控具有反应时间短、危险程度高、特征参数耦合的特点，现有的电池安全防护方法、安全预测预警方法和被动控制与防护都无法完全避免热失控事故的发生，不能满足人们对新能源汽车的安全需求。将动力电池在设计、使用和热失控后不同阶段的防护方法相结合，构建动力电池全生命周期安全风险管控理论体系，是动力电池安全管控技术的发展方向。

本文在回顾和总结动力电池安全风险管控技术最新研究进展的基础上对未来的发展方向进行展望，以促进新能源汽车动力电池安全风险管控技术的成熟，并实现其在新能源汽车产业中的应用。

（1）随材料技术的进步和电动汽车对续航里程的追求，锂离子动力电池厂商致力于使用镍钴锰（NCM）、镍钴铝（NCA）等三元材料提高动力电池的能量密度，但三元材料的锂离子动力电池具有热触发温度低、产热速率高以及热失控后不易灭火等缺点，其安全性能的缺陷亟待解决，目前通过使用表面改性处理的隔膜材料（如陶瓷隔膜），来提高三元材料动力电池的安全性，已成为行业共识。电解质安全研究的重点集中在阻燃添加剂和离子液体等方面，其中由于固体电解质和凝胶电解质在能量密度、寿命和安全性方面的良好特性，逐步成为未来电池材料安全领域发展的重要方向。

（2）在三元锂电池安全隐患尚未解决前，通过无模组技术提高空间利用率，在不改变磷酸铁锂电池材料的前提下最大程度提高电池的比能量密度，开发如“刀片电池”等新结构电池已成为动力电池系统安全性设计的发展趋势。电池包结构安全设计方面，可通过改进电池单体排布、强化电池包以及整车的结构等方式有效避免电池包因冲撞变形而导致的热失控。对于电池工作中产生的热量，目前常用的散热方式主要是风冷和液冷，但空气冷却的主要缺点是在大功率充放电时对温度的控制效果不理想，液体冷却会增加车辆的整备质量，占据有限的电池空间而影响续驶里程。因此，使用效率高、冷却性能好的热管冷却和相变材料冷却将电池温度保持在安全可控的范围内，是当前电池热管理系统的研究热点。

（3）在动力电池的被动防护方面，材料更新和结构优化是当前热失控阻隔装置设计的两个重要方向，如何平衡好隔热与散热之间的关系，对热失控的有效隔离十分关键。七氟丙烷、全氟己酮、细水雾等均可熄灭电池的明火，但目前并没有一种适用于所有外部环境、电池状态以及电池材料的最佳灭火剂。随着电气化水平的不断提高，将电池热失控阻隔装置和有效的灭火剂与车载智能灭火系统相结合，提高智能灭火系统对热失控识别的准确度，将是电池热失控被动防护的主要发展方向。

（4）在当前的动力电池安全管控方法中，通过安全预测与预警技术在电池热失控前进行主动干预，是实现电池安全从被动防护到主动管控的重要环节。将电池电压、电流、温度以及副反应释放的气体成分作为电池安全风险预测的参数是可行的方案，但是具有预测指标单一、报警时间短等缺点。目前，基于实车运行数据的大数据分析已部分应用于动力电池的安全风险预测和预警，但由于实车数据具有数据稀疏、非线性强等问题，基于实车大数据的安全风险预警和实车验证需要更深入的研究。在人工智能、大数据、云计算等技术蓬勃发展的当下，通过实车多维度海量运行数据，提高数据模式识别能力，研究实车动力电池运行数据中与安全相关的特征参数演变规律、耦合关系以及各影响因素间的解耦方法，实现热失控潜在风险研判、安全风险提前预测和预警，是动力电池安全风险管控技术的重要发展方向。