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

周少杰

摘 要：新能源汽车作为国家战略，经历了“十二五”“十三五”两个阶段的快速发展，动力电池的应用数量和规模持续扩大。近年来，全球新能源汽车火灾事故频发，新能源汽车动力电池热失控成为影响公共安全和公众利益的重大安全风险。文章对新能源汽车动力电池热失控机理进行了研究，从热失控过程、热失控传播途径、热失控对系统和人员的危害等方面进行了阐述，从动力电池的设计、制造和使用等环节提出了新能源汽车动力电池安全风险管控方法，研究结果表明：加强动力电池热失控机理和安全风险的研究，建立高效的管控体系是保障新能源汽车安全的有效途径。

关键词：新能源汽车 动力电池 热失控机理 安全风险 管控方法

1 引言

作为国家战略，新能源汽车已被列为我国七大战略性新兴产业之一，并在“十三五”规划中被列为重点发展领域，在“十四五”规划中被列为重点发展的关键技术领域。截至2020年12月底，全国新能源汽车保有量达122万辆，占汽车总量的1.91%；新能源汽车保有量为82万辆，占汽车总量的3.37%。根据中国电动汽车百人会预测，到2025年，我国新能源汽车保有量将达到500万辆左右。动力电池作为新能源汽车的核心部件，其安全性关乎新能源汽车的生命安全和公共安全，对动力电池的热失控机理及安全风险进行研究，对于保障新能源汽车的安全运行具有重要意义。

2 动力电池过充热失控机理

过充是指动力电池在过充电过程中发生热失控的现象，由于动力电池在过充电过程中会产生大量的热，且这一过程中电池内部温度会急剧上升，所以其发生热失控的风险也会明显增大。根据对新能源汽车动力电池过充热失控阶段划分，可以将其分为：（1）未发生过充时：锂离子在电池内部运动缓慢，温度和电压基本恒定，此时电池处于安全状态。（2）开始出现过充现象：锂离子在电池内部运动加速，温度迅速升高，电压急剧上升，同时产生大量气体。（3）出现过充现象并开始产气：锂离子的运动速度和产气量加快，同时温度迅速升高，电池内部温度急剧上升。

绝热热失控四阶段划分如图1所示。

阶段I中，电池SOC处于100%至142％的范围。当 SOC达到100%时，电池内的热量会急剧增加，这时电池温度开始上升并很快超过其标称的截止温度。此时，正极材料表面开始出现析锂，同时生成的氢气在电解液中逐渐积累，同时放电时产生的大量热也会进一步加剧电池的升温。锂离子在电池内部扩散的速度取决于其在电解质中的浓度，因此 SOC越高，锂离子扩散速率也越快[1]。

阶段II的终止SOC在140％至160％之间。由于此时电池温度仍保持在较高的水平，因此此时并没有发生明显的产气现象，同时电池还能维持其额定容量。但是，在这一阶段电池表面析锂现象变得更加严重，同时内部热失控程度加剧。如果此时正极发生析锂，则会在电极表面形成 SEI膜。而电解液的分解反应会导致大量氢气从电解液中逸出，这也加剧了电池内部温度的升高。同时由于电极表面 SEI膜的形成，电池内部发生严重的 SEI膜分解，这会导致电池容量的急剧降低。阶段 III为阶段 II的延伸阶段。此时电池内部温度较高，因此分解反应速度较快且不可逆，所以锂离子在电池内部运动速度和产气量都加快了。

阶段III决定了电池发生热失控后的最终结果，此阶段的截止SOC约为180％。当温度继续升高时，电池内部开始发生剧烈的放热反应，电池内部温度迅速升高，当达到一定值时，电池内部压力会急剧增大，从而导致电池发生爆炸。

锂离子在电池内部的运动速度和产气量随着电池温度的升高而迅速增加。同时由于电池内部压力增大，导致电池内阻迅速增加并出现明显波动。在阶段 II中，由于放气副反应造成的压力增大，使电池产生更多的热量。此外，由于放电电流的增加和内阻的增加，也会导致电池的温升速率加快。在阶段 III中，随着温度的升高和内阻的增加，电池容量急剧降低，并且不可逆的 SEI膜开始分解。

阶段IV为电池过充热失控的发生阶段。电池在过充过程中会发生剧烈的放热反应，所以此时电池内部压力急劇增大，而且电池内部温度也会急剧升高。在阶段 IV中，当电池的温度达到一定值时，电池内部就会发生剧烈的放热反应，导致电池发生爆炸。当温度继续升高时，由于外部空气进入到电池内部，并且在一定条件下与电解质发生剧烈反应并产生大量气体，从而导致电池内部压力急剧增大。同时由于电解质在高温下分解并放出大量热量，所以在这一阶段电池的温升速率将进一步增加。当温度达到一定值时，由于锂离子的运动速度和产气量增加以及外部空气进入到电池内部压力急剧增大时，电池就会发生爆炸。

3 动力电池安全防护方法

动力电池安全管控流程如图2所示。

3.1 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展开研究。在正负极材料方面，目前广泛使用的正极材料为三元材料（镍钴锰三元），其能量密度高、循环寿命长，但成本较高；负极材料主要为石墨，但其易受污染，造成容量衰减，因此需要对负极材料进行改性[2]；电解液的安全性主要通过电解液的成分、添加剂来实现，通常使用有机溶剂或混合电解质，而溶剂的选择对电池的安全性有很大影响。电池壳体是电池外部结构部分，它能够防止热扩散、降低热失控的风险。目前研究较多的电池壳体安全性设计方法主要是通过对电池壳体进行结构设计、热管理系统设计以及密封结构设计来提高电池安全性。

隔膜作为锂离子电池的关键材料之一，具有阻隔电极-电解质接触的作用。目前，商业化的隔膜材料主要为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚乙烯-聚丙烯（PE-PP）三种。由于聚乙烯材料具有较高的化学稳定性、电性能及机械性能，因此在锂离子电池领域得到了广泛的应用。但聚乙烯材料在电池工作过程中存在着易吸水、耐热性差等问题，同时还存在着与电解液的相容性差、电化学稳定性差等问题，严重影响了聚乙烯材料在电池领域的应用。

为了提高锂离子电池隔膜的安全性，许多研究者对其进行了改性研究。在锂离子电池隔膜中，主要通过添加成核剂来增强隔膜的稳定性，提高隔膜的机械性能，以满足在循环过程中保持稳定的结构。

3.2 电池系统安全防护设计

3.2.1 新结构电池

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。该技术通过将多个单体电池模组集成在一个模组内，取消了模组中的电芯和连接线路，不仅大幅提高了电池包的空间利用率和系统能量密度，还可通过增加电池组数量有效降低整车的质量和能耗。

无模组技术在能量密度和空间利用率方面有一定优势，但在安全性方面仍存在问题。单体电池与整包的接触面积过大，而单体电池温度上升时会向周围的热失控蔓延，一旦局部温度达到一定阈值（如600℃），热失控会向周边扩散，进而导致整个动力电池包发生热失控。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[3]。

3.2.2 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。在电池包结构设计方面，有学者利用多体动力学软件建立了某款纯电动汽车的动力电池包仿真模型，并对电池包进行了多工况碰撞仿真分析。结果表明，该动力电池包能够有效抑制动力电池热失控扩散，但其能量吸收效率较低。同时，通过对单体电芯和电池模组进行合理排布，可以进一步提升其能量吸收效率。在整车安装方面，有学者研究了电池包在汽车上的安装位置对其安全性的影响，结果表明：电池包在汽车前部安装时，其碰撞能量吸收效率最高；在汽车后部安装时，其碰撞能量吸收效率最低。此外，有学者将电池组排布在车身骨架上能够有效防止电池组受到挤压而产生变形。

4 动力电池安全预测与预警

4.1 动力电池热失控早期报警方法

当电池发生热失控时，会释放出大量的可燃性气体，如：CO、CH4、H2S、CO2和N2等。这些气体主要是由于电池内部产生的高温或者过充引起的。因此，在热失控早期，应通过及时有效的报警手段来发现热失控，将危险消灭在萌芽状态。由于锂离子电池在发生热失控时，内部温度会持续上升，因此其内部的气体会随之增多。对于锂离子电池来说，过高的温度会导致电池材料发生膨胀或变形而破坏电极结构，从而引起电池内短路或产生气体等危险。

因此，可以通过监测电池的内部温度来判断热失控，且在热失控早期能够及时采取措施来预防火灾的发生。Sugiyama等提出了一种基于模型预测的方法，该方法通过电池的温升速率来判断热失控的发生；Sumehameh等通过对电池进行模拟实验，计算出在热失控发生时，电池温度与初始温度之间的差异来判断热失控是否发生。Wang等提出了一种通过检测电池内部产生的气体含量来判断热失控发生的方法；Kokai等出了一种通过测量电池表面温度来判断热失控是否发生的方法[4]。

理论上，采用电池组内瓦斯监控技术可有效提升电池组的热失控预警能力，但该方法对电池组的封装工艺提出了更高的要求，既要确保其探测分辨率、耐高温性能，又要解决电池组内气体间相互干扰等问题。然而，现有的热失控预警方法由于受到传感器精度及电池封装工艺等因素的限制，尚不适用于动力电池系统。目前，基于蓄电池内部状态的预警技术在应用中容易受运行工况和外界环境等因素的影响，很难实现对蓄电池内部状态的精确估计。目前基于电池温度、电压、电流等外部参量的预警方法存在时效性差的问题，需要对其进行更深入的研究。

4.2 基于运行大数据的动力电池安全预警方法

以新能源汽车运行大数据为基础，采用数据挖掘技术，进行动力电池热失控特性分析，建立动力电池热失控模型，开发安全预警与风险管控方法。

（1）根据动力电池系统各部分状态参数的变化规律，建立动力电池运行大数据模型，对动力电池运行状态进行实时监测，并进行相应的数据处理、挖掘和分析。

（2）以动力电池的实时状态数据为基础，利用数据挖掘技术进行分析预测，建立动力电池运行大数据模型。该方法主要包括以下3个步骤：①建立动力电池运行大数据模型；②分析运行大数据模型；③建立安全预警与风险管控方法。

（3）基于大数据建模的方法步骤如下：①将动力电池系统的各个状态参数转换为数值特征，以动力电池的实时状态数据为基础，利用数据挖掘技术建立动力电池系统运行大数据模型；②将动力电池系统各状态参数与动力电池运行大数据模型的结果进行比对，从而验证模型的有效性；③根據模型计算结果，结合安全预警与风险管控方法，确定安全预警等级，并对安全等级进行预警；④将安全预警结果传递给下一级别的安全监控系统，从而实现对动力电池系统运行状态的实时监控[5]。

（4）基于大数据建模方法构建的动力电池系统运行大数据模型作为新能源汽车安全监控系统的重要组成部分，具有以下优势：①利用大数据建模方法可以提高动力电池系统运行状态监测数据的实时性；②利用大数据建模方法可以提高动力电池运行状态监测数据分析精度；③基于大数据建模方法构建的动力电池运行大数据模型可以实现对新能源汽车安全监控系统运行状态的实时监测和预警，从而保证新能源汽车安全监控系统高效、准确地运行。

5 结语

总而言之，动力电池热失控是一个复杂的过程，其发生发展受多种因素的影响。文章主要从电池材料、设计制造、使用维护和环境条件四个方面对动力电池热失控的发生机理进行了研究。通过分析不同因素对热失控过程的影响，建立了一套基于有限元仿真模拟的热失控模型，可用于预测和评估动力电池在不同使用条件下发生热失控的风险。最后，从材料、结构、设计制造、使用维护和环境条件五个方面对动力电池热失控进行了被动控制与防护的研究，主要包括抑制锂离子电池材料的热失控和改善电池结构设计及制造工艺，以提高动力电池安全性能，保障新能源汽车安全运行。

参考文献：

[1]陈炳谕.新能源汽车电池回收研究进展[J].汽车实用技术，2023，48（19）：189-193.

[2]薛媛媛，陈清晨.新能源汽车电池类型现状及发展趋势研究[J].时代汽车，2023，（19）：106-108.

[3]洪吉超，梁峰伟，杨京松，李克瑞.新能源汽车产业及其技术发展现状与展望[J].科技导报，2023，41（05）：49-59.

[4]楼高翔，雷鹏，马海程，万宁.不同回收补贴政策下新能源汽车动力电池闭环供应链运营决策研究[J].管理学报，2023，20（02）：267-277.

[5]周洋捷，王震坡，洪吉超，曲昌辉，山彤欣，张景涵，侯岩凯.新能源汽车动力电池“过充电-热失控”安全防控技术研究综述[J].机械工程学报，2022，58（10）：112-135.