新能源汽車動力電池安全技術研究綜述

陳曉平

寧波工程學院機械工程學院（杭州灣汽車學院），315211，浙江寧波

2020年9月，習近平總書記在科學家座談會上提出“四個面向”要求，為我國“十四五”時期以及更長一個時期推動創新驅動發展、加快科技創新步伐指明了方向。發展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路。我國一直高度重視新能源汽車產業的發展，2012年國務院發布《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》和《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》以來，新能源汽車產業被確立為國家重點發展的七大戰略新興產業之一。“十三五”期間，國務院出臺《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》與《關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》等文件，繼續加大對新能源汽車的投入力度，2019年，我國新能源汽車產銷分別完成124.2萬輛和120.6萬輛，產銷連續5年位居世界首位。

2020年11月3日國務院發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》提出：到2025年，我國新能源汽車市場競爭力明顯增強，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量20%左右的目標，到2035年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流。新能源汽車主要依靠電能作為驅動能源，動力電池作為能量存儲裝置，是新能源汽車最核心的部件之一。

隨著新能源汽車保有量迅速增加，涉及新能源汽車的安全事故日益頻發。據統計，2019年全國至少有187起涉及新能源汽車的燃燒事故，其中動力電池問題是起火的主要原因。動力電池安全問題已成為新能源汽車發展的主要瓶頸之一，《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》在“新能源汽車核心技術攻關工程”中專門列出了“實施電池技術突破行動”，提出了要加強高強度、輕量化、高安全、低成本、長壽命的動力電池短板技術攻關。因此，本文重點分析目前新能源汽車電池安全的發展現狀、主要問題，并對后續的發展提出建議。

1 動力電池安全技術研究現狀

目前國內主流車型裝配的動力電池以磷酸鐵鋰和三元電池（NCM）為主。其中三元電池（NCM）以更突出的能量密度等優勢，近年來成為多數純電動乘用車的選擇。

1.1 機械載荷對動力電池安全性影響的研究汽車在使用過程中，很難避免承受振動、沖擊、碰撞、石子彈擊等機械載荷，當電池系統受到相應的載荷時，可能會發生電池變形、穿刺等損傷，導致內部短路發生、溫度升高、電池體內壓強上升，最終可能引發失火及爆炸等災難性后果。

目前，很多研究機構和學者對動力電池機械完整性問題開展了大量的研究工作。主要采用試驗和建模仿真的方法，研究電池材料、單體、電池組等在受到機械載荷情況下的短路失效情況。包括：（1）電池材料，如對電池的外殼材料、隔膜材料、正負極材料在受機械載荷情況下的準靜態力學性能和動態力學性能進行試驗和仿真研究，探索電池材料的力學失效準則，以及對電池短路的影響。（2）電池單體，如對電池單體進行力學性能試驗和仿真研究，包括拉伸、壓縮、三點彎、壓痕、落錘沖擊、針刺等載荷，測試電池的應力應變、溫度變化、電壓變化等參數，研究電池的短路情況。（3）電池組，如對電池組進行堆積效應試驗和建模仿真分析，研究堆積下電池組在受擠壓、沖擊等載荷下的短路情況。（4）整車，主要是對電池包進行臺車碰撞試驗和仿真分析，研究汽車行駛速度下碰撞后的電池包變形情況和短路發生情況，研究電池組保護殼的力學性能等。

1.2 充放電對動力電池安全性影響的研究電池在充放電過程中，內部會產生焦耳熱和材料微觀組織變化，特別在過充電、過放電、大倍率充放電等情況下，會使電池材料隔膜、正負極材料、電解液等發生分解反應和相互作用，導致內部短路和急劇升溫，最終導致熱失控。

充放電對電池安全性影響的研究是目前電池安全研究的熱點，尤其是快充技術對于新能源汽車使用的便利性至關重要。對于汽車著火事故分析，表明很多事故與充電有著緊密的聯系。目前研究主要包括：（1）高倍率快充下電池組分的微觀結構變化，通過試驗和仿真手段，對電極析鋰機理進行了研究，分析電池充電過程中電極表面鋰離子析出和嵌入的過程，對電池熱失控溫度的影響。（2）充放電工況下鋰枝晶的生長規律以及組分的變形情況，刺穿隔膜引起內短路的機理，研究內短路類型包括集流體鋁-集流體銅、正極-集流體銅、集流體鋁-負極、正極-負極等四種電路的短路機理及對熱失控的影響過程。（3）在絕熱密閉環境下測量不同充放電倍率下電池的熱行為，研究電壓、溫度特性與熱失控溫度關系。

1.3 使用環境對動力電池安全性影響的研究使用環境對電池的性能有重大的影響，比如在高溫或低溫環境下，電池的容量及使用效率會受到很大的影響。環境溫度過高會使電池在使用過程中內部組分發生化學反應，特別在散熱不足情況下，會導致溫升加劇，導致發生熱失控等問題。使用環境包括鹽霧、濕度過大等，也會對電池的安全性造成很大的影響。研究主要包括：（1）環境溫度變化對電池組分、單體、電池包的力學性能、生熱散熱等影響，研究過熱導致的電池內部鏈式化學反應，包括隔膜的熔解、電極活性材料與電解質的反應、SEI膜分解、電解液的分解等機理。（2）研究鹽霧、濕度、海水浸泡等工作環境下，分析短路與濕度等參數關系，研究電池電化學特性與安全性。

1.4 電池狀態對動力電池安全性影響的研究荷電狀態(SOC)和老化狀態（SOH）對電池的安全性會產生重要的影響，隨著荷電量SOC的增大，電池發生熱失控的危險性增加，隨著使用次數的增加，電池的容量變小，同時安全性也變差，短路的風險增加。研究者主要開展了（1）不同SOC下，電池組分材料的力學性能變化、電池短路與SOC參數的關系，電池起火與SOC的關系，探索失效機理和準則。（2）研究不同SOH下，研究電池在運行過程中的內部溫度、電壓等參數變化規律，以及在不同充放電倍率和機械載荷下，分析不同SOH電池熱失控的風險，研究電池老化機理和安全性之間的關系。

2 研究現狀分析

2.1 電池短路機理研究方面力場、電場、熱場以及化學反應場的耦合導致電池的失效行為及機理研究較為復雜且困難。目前電池失效機理研究還存在如下問題：一是沖擊載荷下力－電化學－熱耦合機制尚不明確；二是亟需發展可模擬鋰離子電池結構的漸進失效行為的多尺度多場耦合模擬方法。

2.2 電池失效預測和控制方面BMS技術隨著新能源汽車的發展也有了較大提升，前沿技術及理論也取得了諸多成果，已經從單純的監控系統轉變成了管理系統，但在參數采集、參數估算以及安全控制方面仍還無法滿足保障電池使用安全要求。

3 今后的研究方向

3.1 新型電池材料研究發展新型電池材料、新型材料選擇方法與理論以及陽極材料電化學反應機制將成為研究重點。開發更加安全的電極材料、穩定電解液，固態電解液、高強度隔膜等是今后的研究重點。

3.2 動力電池失效機理研究鋰離子電池的失效模式多樣，且很難用單一的物理量、準則或過程進行刻畫。因此，明晰內部短路產生機制、傳播行為，建立物理意義明確、簡單易用、涵蓋單體電池、電池模組、電池系統的失效準則，具有寶貴的工程指導價值。

3.3 多尺度多場耦合模擬方法研究為了實現對力－電化學－熱耦合失效行為的分析和模擬，必須研究電池材料顆粒到電極、從電極到單體、從單體到電池包的漸進失效行為原理，并建立完善的多尺度多場耦合模擬方法體系，這也是今后電池安全性研究重點。

3.4 電池管理系統（BMS）研究隨著大數據技術深入應用，可以基于大數據進行多方位的數據監控與對比，來提升自身的狀態參數評估能力，電池安全管理能力及熱管理能力。同時隨著人工智能技術發展，BMS技術可以與人工智能技術相結合，能提高預測電池發生安全問題的時間余量，大幅提升電動汽車安全性。

4 結語

發展新能源汽車是我國汽車產業發展的重大決策。動力電池的安全性能決定了新能源汽車尤其是電動汽車的市場和未來，目前在電池安全領域已經開展了大量富有成效的研究工作，但是仍然不能有效避免因為動力電池短路、熱失控等問題引起的交通安全事故。隨著新能源汽車保有量的增長，該問題會愈發凸顯。因此，開展動力電池安全研究對于我國占領新能源汽車技術高地意義重大。