新能源汽車動力電池安全管理技術挑戰與發展趨勢分析*

王震坡，袁昌貴，李曉宇

(1. 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2. 電動車輛國家工程實驗室，北京 100081；3. 北京電動車輛協同創新中心，北京 100081)

前言

新能源汽車是我國戰略新型產業之一，在促進可再生能源應用和提高電氣化交通運輸發展占重要地位[1－2]。面對汽車電動化時代的到來，如何保證“安全”，成為主要關注的話題，動力電池作為新能源汽車核心部件，其安全狀態的精準估計和安全結構防護需求日益凸顯[3－4]，因此，準確估計和預測動力電池的安全狀態，提升新能源汽車的耐久性、安全性、可靠性，對其進行全面高效的管理變得非常重要[5－6]。

當前研究在動力電池系統熱擴展物理機制和動力電池安全性、耐久性、一致性，以及安全電池系統設計等方面取得了階段性進展，國內外學者對動力電池安全機理分析和故障診斷的研究取得了豐碩的成果[7－8]。但在鋰離子動力電池與系統熱失控觸發機理、安全性與耐久性和一致性之間的耦合機制與演化規律和高安全性鋰離子動力電池系統設計等方面尚未構建完善的理論體系。

本文中綜述動力電池安全管理技術的研究現狀，首先從動力電池安全的概念出發分別介紹了動力電池安全狀態(SOS)、熱管理和熱失控等研究熱點，著重闡述了動力電池安全管理的研究現狀，從動力電池安全機理、安全控制機制和安全防護結構等方面進行了全面剖析；針對當前動力電池安全管理技術在新能源汽車中的實際應用，從機理分析到系統設計優化和被動安全防護到主動風險預測與維護兩個方面，對動力電池安全管理技術發展趨勢進行了分析；最后對以上動力電池安全管理技術的主要內容進行了全面總結。

1 動力電池安全的基本概念

1.1 動力電池安全狀態(SOS)

通常動力電池的運行伴隨著電池端電壓、表面溫度分布不均勻、局部溫度過高等問題，嚴重影響其性能、壽命和安全[9－11]。國內外相關研究學者，從電池的材料選取、建模和狀態估計等方面進行探究以保證其使用安全性[12－14]，目前電池安全的研究主要集中于找出電池使用的安全區域，在該區域內對電池實際安全情況劃分等級，如表1 所示[15]。對于新能源汽車而言，其動力電池的安全性與實際運行里程有密切聯系，因此提出了基于行駛里程統計的安全分析方法，該統計表明，隨著運行里程的增加，動力電池出現安全故障的概率增大，將電池安全劃分為10 個不同的等級，如表2 所示[16]。

表2 動力電池故障等級和行駛里程統計表

動力電池安全狀態方法與通過動力電池外特性參數如電壓和溫度直接快速反映電池安全情況不同，它通過預估電池內部狀態，間接分析和預測電池安全故障的風險，該方法的主要思想是監測動力電池是否運行在安全區域內[17]，事實上，對于電池安全狀態的主要問題是確定電池運行中不安全區域的邊界，因此電池的安全狀態應該與電池的濫用程度成反比，具體如式(1)所示[17]。

式中x代表所有的預測狀態和電池的外部測量參數，包括電池的電壓、充放電電流、溫度和各種內部狀態。由式(1)可知，電池的安全狀態值(fsafety)隨著電池劣化程度(fabuse)的增加而下降，其具體映射關系與電池類型相關可定義為指數函數、多項式函數或對數函數等。動力電池安全狀態與外特性參數之間的基本關系如圖1 所示，其中SOS 即為式(1)中的fsafety。電池安全狀態與汽車的安全高效運行直接相關，其狀態數值與電池各特征參數之間的關系較為復雜，目前關于該問題尚未具體的定量分析，因此進一步深入研究電池安全狀態對完善電池安全管理具有重要意義。

圖1 電池安全狀態與外部端電壓和表面溫度的關系[17]

1.2 電池熱管理系統

國內外研究人員針對電池單體和動力電池系統提出了不同精度和復雜度的電池熱模型，根據建模思路不同主要可分為分布式電化學熱模型和集總參數模型。其中分布式電化學熱模型通過產熱、熱累積、對流和傳導理論構建偏微分方程描述電池熱動態行為[18]。該模型精度較高，但也比較復雜，通常需要使用有限元方法進行模擬，此外它涉及的電池化學和物理參數難以獲取，并在線應用到動力電池熱管理和故障診斷中。為了降低該類模型的復雜度，Gerver 等[18]提出一種空間縮減的鋰離子電池熱模型，Richardson 等[19－20]和 Kim 等[21]進一步提出簡化的狀態空間表達式，構建簡化的電池分布式參數熱模型。

為了實現熱模型的在線辨識和應用，研究人員提出簡化的電池集總參數熱模型。Lin 等[22]提出了基于等效熱阻的2 階狀態空間熱模型，其狀態方程見式(2)和式(3)，將電池內部與電池表面、電池表面與環境的傳熱過程分別模擬為等效熱阻Rc和Ru，如圖2(a)所示，內部產熱僅考慮電池內阻產生的熱量，并利用自適應卡爾曼濾波估計電池內部溫度。Dey 等[23]基于該模型提出電池熱故障實時診斷方法。Sun 等[24]通過考慮電池內部熵值變化產生的熱量，改進了該熱模型并應用到方形電池上。Dai等[25]考慮了模型參數的時變性，利用聯合卡爾曼濾波方法對電池內部溫度和模型參數進行聯合估計，提高內部溫度估計的精度和魯棒性。然而上述研究沒有考慮到電池熱行為和電行為的相互作用，例如電池溫度升高會使內阻下降進而導致總產熱量降低。Zhang 等[26]建立了方形電池的熱電耦合模型，利用擴展卡爾曼濾波實現對方形電池內部溫度的準確估計。針對動力電池組，Debert 等[27]考慮電池表面、熱傳感器、模組外殼和冷卻氣流的溫度，建立基于等效熱阻的電池模塊熱流平衡方程，實現電池單體溫度和內阻的估計。

圖2 電池等效熱阻模型

電池熱管理系統(BTMS)最重要的功能是在高充放電倍率和極端外部環境條件下，在電池單體、模組和電池包內保持最佳的工作溫度范圍和均勻的溫度分布[28]。有效的動力電池熱管理系統對于阻斷或延緩電池熱失控事故在單體間的擴展至關重要，電池熱管理系統可分為被動冷卻和主動冷卻，或按照冷卻介質分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料(PCM)冷卻和熱管冷卻等類型。其中空氣冷卻是電池熱管理系統最常用的方式，但由于導熱系數的限制，無論是被動空氣冷卻還是主動空氣冷卻都不能有效阻斷或延緩熱失控的擴展[29]。液體冷卻技術與空氣冷卻相比具有更好的散熱效果，但仍然不能有效延緩熱失控擴展，并且需要電池供電才能運行，還有存在液體泄漏的風險[30]。為解決上述空氣冷卻和液體冷卻的弊端，研究人員提出基于相變材料[31－32]或熱管[33]的相變冷卻技術，這兩種冷卻技術能分別利用存儲在固液相變和液汽相變階段的潛熱，從而提高散熱效率和動力電池系統熱安全性；此外相變冷卻技術還具有低功耗、低成本和結構簡單的優點，具有較大應用潛力。

相變材料可在融化/固化過程中吸收/釋放大量的潛熱，從而在電池正常運行或濫用條件下快速吸收熱量，保持電池系統中的溫度分布均勻性，并且在單個電池單體發生熱失控而迅速升溫時，防止電池升溫到熱失控臨界溫度，從而阻斷或延緩熱失控觸發和擴展過程；而正常情況下，相變材料存儲的熱量通過自然對流或與一個小型主動冷卻系統耦合傳遞到環境中。Khateeb 等[34]的研究結果表明，與自然對流冷卻相比，基于相變材料的冷卻系統可使電池模塊溫度降低50%。然而，由于傳統相變材料導熱系數較低，其冷卻效果有限。為了克服這一缺點，提出了各種提高相變材料有效導熱系數的方法，通常在相變材料中加入高導熱系數的添加劑，如鋁絲[35]、泡沫金屬[36－37]、碳纖維[38]和石墨[39]等，構成復合相變材料(PCC)。Zhao 等[40]提出一種利用相變材料替換圓柱電池空心芯棒的電池內部冷卻系統，并開展了實驗研究驗證該系統的冷卻效果，結果表明通過高導熱系數的相變冷卻技術能有效抑制熱失控在相鄰電池間的擴展。

熱管冷卻方法可克服這些缺點，熱管能在負壓密封管內實現低沸點冷卻液(水、醇類或丙酮等)的迅速相變和熱量傳遞，其原理如圖3 所示。在較小溫差下也能利用相變傳熱在較遠距離內快速輸送大量熱能，且基于熱管的BTMS 具有導熱系數高、結構緊湊、幾何形狀靈活和使用壽命長等優點，近年來受到廣泛關注。Jiang 等[41]提出由電池、相變材料和熱管組成的夾層結構的電池熱管理系統，并建立考慮電池發熱、相變材料熔融和熱管瞬態熱響應耦合的集總參數模型，揭示了不同環境溫度、不同熱管換熱系數、不同相變材料與電池厚度比下電池溫度和相變過程的耦合機理。基于熱管的電池冷卻系統在熱失控擴展的防控方面具有很好的應用前景，Li等[42]將電池內短路模擬熱失控模型，與熱管冷卻的流體體積(VOF)模型進行耦合，在ANSYS FLUENT中求解，計算VOF 模型在熱失控過程中的傳熱傳質過程和熱失控的擴展情況。結果表明，熱管冷卻不能防止單個電池內短路觸發的熱失控，但能有效阻斷熱失控在電池組中的擴展過程。

圖3 熱管原理示意圖

1.3 熱失控

從熱失控的觸發因素分析，動力電池熱失控主要源于多濫用場景導致的內短路失效事故。新能源汽車電池系統內短路失效率與其電池系統中電芯數量以及電芯失效率相關，通常單體電芯的故障率為百萬分之一，以統計1 萬輛特斯拉新能源汽車為例(裝配7 104 個電芯)，電池系統內短路導致新能源汽車發生熱失控失效率不到萬分之一[43]。

濫用熱失控是由電氣、熱量、機械完整性等濫用情況引發異常的電池老化所致，3 種熱失控觸發方式如圖4 所示。由于鋰電池完全封閉且內部會產生易燃的氧化劑，如果發生以上濫用情況熱量不能及時散發，內部溫度激增最終將導致熱失控現象。早期研究發現，當電池內部溫度達到100 ℃后，電池內化學反應開始產生易燃氣體，當溫度進一步升高到430 ℃后，電解液開始分解并釋放氧氣，引發電池內部烴類氣體燃燒，由于反應不完全，生成物中必定混合著有毒或腐蝕性氣體，因此為了保證動力電池的安全使用，動力電池必須經過標準測試(UN 38.3，UN R100，SAE－J2464，IEC－62133，GB/T 31485)。

圖4 濫用觸發熱失控分類[5]

動力電池機械濫用主要指通過擠壓、碰撞和針刺等形式造成電池內短路及溫度異常的安全問題，鋰離子電池在遭受機械濫用后安全性較差，易發生殼體開裂、電解液泄漏，甚至發生內短路及起火爆炸事故[44－46]。對于機械濫用的研究分為實驗和數值仿真兩種途徑。實驗方法依賴于力學實驗分析并觀察電池在加載過程中的現象，以及載荷、電壓、溫度等的變化情況；數值仿真則是利用不同的電化學及物理基礎建立高精度的鋰離子電池模型，通過辨識電池模型的材料參數，表征其在機械載荷作用下的力學行為，通過有限元仿真的手段來預測電池在載荷作用下發生破壞的情況，評估電池失效行為[47]。

對于動力電池的電氣濫用，主要研究外部短路和過充過放電等故障問題[48]，當電池浸水、錯誤連接和器件失效后會發生外短路故障。由于該故障不會將熱量釋放在電池內部，因此降低了起火爆炸概率。同樣當電池發生過放行為電池內部能量較低，從而降低了電池故障的危害。然而，當電池發生過充電時，由于電池內部能量聚集且外界能量持續輸入，導致電池內部溫度壓力急劇升高，極易造成電池起火爆炸故障。另外，動力電池熱濫用主要是由于電池在極端溫度下進行工作，熱量不能及時散發所致，通常由于電池溫度管理系統失效等故障所引發[49]。

熱濫用是觸發鋰離子電池熱失控的直接原因之一，當電池產熱速率大于散熱速率，溫度不斷升高，會引發鋰離子電池熱失控鏈式反應，最終導致熱失控的發生[43]。除了機械濫用和電氣濫用導致的過熱以外，還可能由于連接松動接觸電阻增大導致局部過熱，此外電池單體內阻不一致和散熱條件不同也會造成熱不一致性。Zheng 等[50]報道了由于制造缺陷的連接松動，局部接觸電阻過大引發熱失控。Wang 等[51]考慮到汽車實際運行工況，提出基于香農熵的電池連接松動診斷方法。以上兩種方法均可實現提前電池故障診斷，對于防止電池出現濫用現象具有重要作用。

2 動力電池安全研究關鍵技術

2.1 熱失控機理

動力電池在機械損害、電濫用和極端應用環境等條件下的事故最終均以熱失控的形式體現。單體熱安全與其內部的電化學體系類型、材料構成、結構形式、封裝形式、容量、結構、外形、尺寸形式以及工藝狀況等直接相關，以磷酸鐵鋰和三元材料體系鋰離子動力電池為研究對象，對鋰離子動力電池正負極、電解液和隔膜等關鍵材料在熱失控不同階段發生的副反應和產物進行了系統分析[52]。基于電極過程動力學原理，探究鋰離子動力電池內部電極材料在出現機(針刺、擠壓等)－電(過充、短路等)－熱(加熱、火燒等)濫用狀況下的物理結構演變和化學反應，將動力電池熱失控機理總結為隔膜刺穿、正極析釋活性氧、負極析活性鋰，最終導致內短路觸發熱失控，本節從以上3 種機理分別進行綜述。

動力電池常用的隔膜PE 和PP 均為聚乙烯材料[53－54]，當溫度升高達到其熔點后隔膜將吸熱收縮，該過程將減緩電池溫升速度，伴隨著隔膜的收縮，其表面孔徑減少甚至完全閉合，導致電池內部鋰離子無法轉移，表現為電池內阻急劇增加，在有電流流過時電池出現異常發熱，繼而加速隔膜熔化造成惡性鏈式反應[55]。另外，隨著隔膜收縮面積減小，電池內部正負極將失去隔離而導通觸發電池內短路故障，當溫度持續升高隔膜蒸發，電池內短路將產生大量的熱，導致電池熱失控發生，因此有必要研制耐高溫隔膜，以阻止因溫度升高導致隔板坍縮。

動力電池普遍采用的正極材料為LCO、LFP 和NCM 等，有學者對正極材料的熱穩定性進行排序，其中LFP 在高溫下表現最穩定，LCO 熱穩定性較差[56]。Mendoza－Hernandez 等[57]研究了正極材料分別為LiCoO2和LiMn2O4的18650 電池在不同充電狀態下的熱失控行為，結果顯示LiMn2O4的熱穩定性要優于 LiCoO2。Arai 等[58]通過實驗測試分析Li0.5CoO2分解的初始溫度在200 ℃附近。劉恒偉和Feng 等[59－60]研究了過熱溫度下鎳鈷錳三元材料(NCM)電池在熱失控前的失效機理、熱失控時的溫度特征，同時還研究了大尺寸軟包動力電池過充電行為。考慮到 Co 的熱穩定性，有研究者嘗試用NCM 正極材料中的Ni 和/或Al 替代 Co 元素，用 Zr取代Mn，以提高電池的熱穩定性，發現用Al 取代可以提高熱穩定性，但會降低NCM111 陰極的可用容量[61－62]。Hammami 等[63]研究發現鋰離子動力電池發生熱失控后，電解質會與電極材料發生反應生成劇毒的氟代有機化合物。Eshetu 等[64]研究了鋰鹽(LiPF6和LiFSI)的燃燒行為，不同溶劑和溶質組分會影響燃燒行為參數，并且產生刺激性和窒息性氣體如 HF、SO2和 CO 等。Huang 等[65]研究了大型Li(NixCoyMnz)O2/Li4Ti5O12電池在不同充電狀態下的 燃 燒 特 性，在 燃 燒 過 程 中，正 極 材 料Li(NixCoyMnz)O 發生了相變，由層狀結構向尖晶石結構轉變。以上學者通過材料改性提升電池的性能，同時Feng 等給出了電池熱失控過程中的溫度特征參數，對阻止和提早監測電池發生熱失控有重要意義。

當電池內部溫度高達隔膜熔融，電池表面溫度急劇上升，電池內部會發生負極析鋰與電解液反應和正極與電解液反應、電解液自身熱分解，這些反應共同作用引發電池熱失控。DSC 測試結果表明，負極與電解液反應分為3 個階段，根據測試初始SEI的分解被認為第1 階段其溫度范圍設定在100 ℃附近，第3 階段設置在250 ℃左右。有研究發現SEI分解初始的生熱速率與石墨化表面積相關[66]。隨著溫度的升高，負極嵌入鋰與電解液發生反應生成SEI，該過程被稱作 SEI 再生反應，在第2 階段 SEI的分解與再生同時存在，因此SEI 的凈減少量是生成量與分解量之差[67]。當電池溫度超過250 ℃時，進入第3 階段石墨結構分解，該階段參與的化學反應較復雜，Same 等[68]研究了鋰離子動力電池三元材料(NCA)的變化，原位檢測了沉積在石墨電極表面的固體材料，并分析了各元素含量。Chen 等[69]實驗測試多種負極石墨材料，認為第3 階段的反應峰代表陽極處的反應。

國內外學者圍繞鋰離子動力電池熱失控過程的內外部特性參數變化規律和熱失控影響因素開展了大量研究。Wang 等[70]對前期鋰離子動力電池安全風險因素、熱失控理論、基礎反應、熱力學模型以及相關的模擬和實驗結果進行了總結。Jhu 等[71]對鈷酸鋰18650 電池的爆炸過程進行了研究，建立了動力電池熱失控演變過程數學模型，闡明了熱失控過程中鋰離子動力電池內外部溫度、電壓和內部壓力等特性參數的變化規律。Fu 等[72]通過對18650 電池熱失控過程考察，分析了其物質流失速率、起火爆炸時間、熱釋放速率、表面溫度和產氣組分，該研究發現不同荷電狀態(SOC)和熱通量會對著火和爆炸時間產生影響，對動力電池多因素影響下熱失控研究具有指導價值。

2.2 熱失控擴展機理

電池單體觸發熱失控后在短時間內釋放大量熱量，電池溫度急劇升高，通過固體傳熱、對流、熱輻射等傳熱方式傳遞熱量給相鄰單體，同時從閥門或破裂的電池殼體噴出大量的氣體及顆粒物也將大量熱量傳遞到其他電池單體。相鄰電池單體的溫度升高達到熱失控觸發溫度將會發生熱失控，即熱失控在電池模組或電池包中不斷擴展。

研究人員從鋰離子動力電池熱失控機理及動態系統理論出發，研究了鋰離子動力電池熱失控過程熱量的擴展路徑與特性、電池模塊發熱量、熱容量和各部件之間熱傳遞速率，以及熱失控觸發的熱量傳遞、質量傳遞和動量傳遞過程。Feng 等[73]對方殼型三元鋰離子電池串聯模組進行針刺觸發熱失控實驗，對熱失控擴展機理及特性進行了分析。Lamb等[74]利用10 節2.2 A·h 的18650 電池簡易串并聯模組完成了針刺觸發熱失控擴展實驗，發現并聯模塊比串聯模塊更容易發生熱失控擴展，Gao 等[75]開展的研究也得到同樣的結論，該研究對于動力電池的成組方式有重要參考價值。主要原因是并聯模組中熱失控單體發生短路，其他單體向其放電導致熱失控單體溫度升高更快，釋放更多熱量，促進了熱失控的擴展。胡棋威等[76]的研究表明，在封閉體系中熱失控擴展比在開放環境下更容易，主要是因為封閉體系中熱失控單體噴出的氣體和火焰會加熱周圍單體，導致周圍單體升溫更快。上述研究表明傳熱、電連接和熱失控單體噴出物是引發熱失控擴展的幾個直接因素，且不同電池類型、成組方式、模組環境條件下，影響熱失控擴展的主導因素不同。

在大容量鋰離子電池熱失控擴展方面，Huang等[77]利用C80 量熱計實測數據，分析了50 A·h 的Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2/Li4Ti5O12鋰離子電池模組熱失控火焰傳播特性，對熱失控擴展的臨界溫度進行了數值仿真，并對比了電池單體采用菱形和平行兩種不同排列方式下的熱失控擴展過程。Li 等[78]開展了5 個38 A·h 鋰離子電池模組的熱失控擴展實驗，并采用擴展體積加速量熱儀(EV－ARC)研究了SOC 對熱失控擴展的影響，結果表明在100%和50%的SOC 狀態下，熱失控在相鄰電池之間的平均傳播時間分別為87 和307 s，且熱失控電池燃燒劇烈程度較低，伴隨大量煙霧產生。

2.3 熱失控阻斷方式

鋰離子電池由于組成材料的特殊性和獨特的密封結構導致在運行過程中不可避免存在安全隱患，從電池單體層面來說，隔膜以及負極電解液均為易燃材料，在高溫下電池內部壓力升高增加漏液和燃燒和爆炸的風險；從電池組層面來說，成百上千電池單體的串并聯成組，在封閉的空間內緊湊排列，增加了電池組運行的安全風險。就目前電池研究水平來看，動力鋰離子電池的安全隱患無法從根本上解決。

為了保證動力電池在安全有效的區域內運行，研究人員從材料、電化學等理論方向出發，研究鋰離子動力電池系統熱失控特征參數的演變規律，Jo 等提出一種熱穩定性高的NCA 正極材料，通過實驗測試該材料充電到4.5 V 比Li[Ni0.8Co0.15Al0.05]O2(充電到4.5 V)具有更好的熱穩定性[79]。Lu 等的研究發現對于 Li[NixCo1－2xMnx]O2材料，x＝ 1/4 和x＝3/8時材料熱穩定性較好[80]。當電池正極材料被氧化物包覆降低與電解液接觸時，可抑制副反應和熱效應，提高正極材料的使用安全性[81]。目前通過在電解液中添加不同材料的阻燃劑，如有機磷化物和氟化物，可降低電解液在高溫下的燃燒性，提高電解液的安全性能[65]。考慮到隔膜在高溫下坍縮，提出電壓敏感隔膜在充電電壓過高時，變為導體吸收能量保護材料，然而當電池過充時產生大量焦耳熱，易引發熱失控故障。Wang 等[82]研究發現，通過正極材料碳化層包覆可顯著提高單體電池的熱穩定性。Chen 等[83]通過將離子液體與具有納米空洞結構的氧化鋯相結合制備出固體電解質，在不犧牲電解質離子導電性的前提下顯著提高了鋰離子電池的熱穩定性和安全性。

除了提高電池材料的安全性以外，可在電池內部建立一種能夠在溫度過高時及時響應并切斷電極反應中的電子或離子傳輸的溫度感應機制，關閉電池反應，以避免其進入自加熱的熱失控狀態。近年來國內外學者基于該思路提出了正溫度系數電極、熱響應微球修飾隔膜、熱聚合添加劑等熱失控防范技術。采用正溫度系數材料作為電極集流體表面涂層、電極活性涂層的導電劑或電極活性顆粒的表面包覆層，構成正溫度系數電極(PTC 電極)，當電池溫度上升至其阻變溫度時，電阻率上升幾個數量級，從而有效切斷電極集流體與活性涂層、或活性顆粒之間的電子傳輸，中斷電池反應，避免發生熱失控。Zhong 等[84]提出利用聚乙烯－乙酸乙烯酯(EVA)和碳黑的復合材料用作電池PTC 涂層，Chen 等[85]用石墨烯包覆的針狀納米Ni 和聚合物基質復合成厚度僅約15 μm 的電池PTC 材料，具有高的室溫電導率(50 S/cm)和很好的PTC 效應，避免了涂層過厚帶來的電池能量密度降低的弊端。

通過在隔膜或電極表面涂覆熱敏性微球，使其在一定溫度下融化封閉隔膜和電極微孔，或者通過單體、寡聚物的熱聚合效應固化電解液，可及時切斷電池中的離子傳輸，避免熱失控事故的觸發，基于熱融化和熱聚合的離子傳輸切斷技術原理如圖5 所示[86]。Baginska 等[87]將石蠟微球和 PE 微球涂覆與石墨陽極或PP/PE/PP 復合隔膜表面制備出具有熱封閉功能的電極和隔膜，Jiang 等[88]制備出以聚乳酸(PLA)為核、聚丁二酸丁二醇脂(PBS)為殼體的纖維隔膜，提高了熱穩定性和熱封閉效果；Liu 等[89]提出使用一種自封端超支化寡聚物作為Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2正極材料的表面修飾層，構成具有熱關閉功能的正極。

2.4 安全防護結構

動力電池安全防護結構不僅提供有效的熱失控阻斷手段，而且為阻斷熱失控擴展爭取時間，單體電池防護結構的關鍵在于安全閥的設計，當電池內部壓力異常時，安全閥打開排出內部氣體，防止電池形變解體。合理的安全閥通道可有效隔離火焰、高溫電解液，避免熱失控傳播和沖擊其他單體[90－91]。實際應用中電池組的設計要滿足密封、防水以及絕熱條件，使多數安全事故發生在電池組內，因此對于電池組的安全防護設計要考慮到阻燃、冷卻等方面。基于熱失控擴展過程的傳熱路徑研究，可在電池單體之間設置隔熱層以延緩熱失控擴展，有學者提出使用環氧樹脂板作為隔熱層，對熱失控擴展進行有效阻隔[92]。冷卻技術不僅保證電池工作在安全的溫度范圍內，而且可通過減少電池間的溫差提升電池組的一致性。從設計功能角度來講，冷卻技術的評價要考慮冷卻效率的高低、冷卻溫度均勻程度和冷卻技術的可靠性；從冷卻方式方面劃分，主要分為空氣冷卻、液體冷卻和相變材料(PCM)冷卻[93]。

圖5 離子傳輸熱切斷技術原理示意圖[86]

空氣冷卻依賴于外部風扇等設備強制氣流按照設計風道流動以達到冷卻目的，該技術在冷卻性能及均勻性方面較為有效，是當前車用最成熟、簡潔的冷卻方式[94]。Saw 等[95]利用流體動力學方法分析電池包空冷系統溫度場分布，提供了一種簡單的電池包內溫度估計方法。Xie 等[96]認為電池包內溫度場分布與進氣角、排氣角以及電池間氣道寬度相關，采用單因素分析和正交試驗的方法對3 種結構參數進行優化。Lu 等[97]研究了冷卻通道尺寸和供氣策略對電池組熱性能的影響，建立了交錯排列電池組的三維模型，冷卻能量效率β的提高對電池水平方向具有明顯冷卻效果，并利用單通道非規則空氣通道的熱阻模型對數值方案進行了驗證。現有的研究更多地集中在電池的配置和設計/模塊安排，以實現減少最高溫升的電池組，對于電池包溫度模型的研究主要基于復雜的熱力學分析，忽略了電池包內電芯間溫差的影響。Li 等[98]全面考慮電池包內溫度的影響因素，從空氣冷卻電池的設計、計算流體動力學代碼的建立、實驗設計、替代模型的評估和選擇等方面，提出了一種綜合考慮系統體積和冷卻性能的高效風冷系統設計方法。

相對于空冷技術，液體冷卻具有較高的傳熱能力和較快的熱響應，而且適用于夏季降溫和冬季預熱，有助于促進電池組、電機、功率控制單元、熱泵等新能源汽車熱管理一體化[99]。然而，由于傳統的液體(水或含水乙醇)較低的導熱率限制了冷卻效率，研究人員通過添加劑或改進冷卻液的方式提高冷卻效率。Liu 等[100]提出了一種新型液態金屬冷卻劑用于電池組熱管理，并通過數學分析和數值模擬，對液態金屬冷卻系統的冷卻能力、泵功耗和模塊溫度均勻性進行了評價。液冷技術中管道數量、冷卻劑流速、管寬和管高是主要研究參數，為了分析四參數對液冷電池熱管理模型冷卻效果的影響，研究人員正交陣設計了16 個模型，對模型進行參數化和量化，確定主要和次要因素，結果表明管道數量和冷卻劑流速的影響相似，都是主要因素，而管寬和管高的影響相似，都是次要因素[101－102]。對于優化后的液冷技術設計，合理的溫度控制策略可以最大化提升冷卻效率，研究人員根據電池使用工況、電池自身特性等多個方面綜合設計了不同的溫度控制策略[103－ 104]。

相變冷卻技術是利用儲存在固液相變階段的潛熱，對電池產生的余熱進行被動管理[105]，根據相變材料的不同可分為兩類，一類基于石蠟等相變材料的固液相變，另一類基于浸泡式沸騰換熱和熱管等形式的液汽相變。相對于以上兩種冷卻技術，相變冷卻系統的優點是結構簡單、低功耗，但會給整個系統增加額外的質量[106]。因此，該冷卻設計首要解決的應用問題是使用最少的PCM 實現溫度在允許范圍內。Wang 等[107]設計了一種基于泡沫銅和石蠟復合相變材料(PCM)的新型無源熱管理系統(TMS)，采用實驗和數值相結合的方法研究了新型溫度管理系統(TMS)和空氣冷卻系統(ACS)對電池組的熱性能的影響。鋰離子電池的性能和安全性很大程度上取決于其工作溫度，因此控制電池在適當的范圍至關重要，以上研究成果通過冷卻技術研究試圖控制電池溫度屬于被動安全防護，該溫度控制方式缺失對溫度的預判預處理能力。

相變材料冷卻與風冷、水冷相比在對熱失控擴展防控方面具有一定優勢。Rao 等[108]針對方形電池提出了相變材料冷卻與微通道液冷耦合的動力電池熱管理系統，建立三維熱模型并基于數值模擬方法研究了液體流量、相變溫度及熱導率等因素對冷卻性能的影響。熱管利用多孔結構對液體的毛細作用，在負壓密封管內實現低沸點冷卻液(水、醇類或丙酮等)的迅速相變和熱量傳遞，從而體現超高的導熱特性。此外，Li 等[109]學者提出用鋁箔等金屬片作為電池組散熱器，并對其進行幾何優化以提高導熱效率，以上研究對于抑制熱失控在電池組中的擴展過程具有重要作用。

3 動力電池安全管理發展趨勢

動力電池作為能量載體，隨能量密度的提高其安全隱患越發突出，因此防止動力電池系統熱安全事故發生、阻斷或延緩熱失控擴展研究工作尤為重要。對于當前動力電池安全管理要以熱失控前預報警、熱失控中延緩擴展和蔓延、熱失控后減小損失為目標，在動力電池熱失控機理研究的基礎上開展動力電池安全指標體系、安全性的防護控制策略、機－電－熱濫用防護方法等理論研究，以及高安全性動力電池的材料設計、內部結構設計、成組方式設計、電池箱結構設計等工程設計方法研究是及時發現熱失控隱患、阻斷或延緩熱失控擴展的有效途徑。動力電池安全管理發展趨勢如圖6 所示。

圖6 動力電池安全管理發展趨勢

3.1 機理分析到系統設計優化

在熱失控觸發及擴展機理分析的基礎上建立電池熱安全模型，從材料、單體、系統多尺度開展系統優化設計研究，能有效降低動力電池熱失控風險或及時阻斷、延緩熱失控在電池組中的擴展，因此將動力電池系統優化設計技術趨勢歸納為電池系統建模及防控技術研究。

電池單體熱安全模型可分為化學反應動力學模型、單體熱失控集總參數模型和單體熱失控三維模型。熱失控反應動力學模型主要考慮電極材料及電解液分解、SEI 膜分解與重生、電極材料與電解液之間的副反應等，對電池材料的不同組合方式開展DSC 測試，標定不同材料組合各副反應的化學反應動力學參數，結合質量守恒方程、能量守恒方程和阿倫尼烏茲公式等，建立描述熱失控溫度變化規律的數學模型。單體電池熱失控集總參數模型可實現電池熱失控過程的溫度、壓力和噴閥預測，三維模型還可預測熱失控在單體內部的蔓延及溫度場演變過程。

在單體層面進行電池熱失控的防控，一方面可提高電池材料熱穩定性，另一方面可利用電流斷路器、正溫度系數電阻、泄壓閥等安全器件實現。通過對鋰離子動力電池材料的改性、篩選和匹配性研究，例如通過電極材料表面改性抑制晶格失氧、電解質固態化以降低可燃性等手段可提高電池材料的熱穩定性與安全性，是從源頭降低熱失控風險的重要手段[82－83]。此外，在電池內部建立一種能在溫度過高時及時響應并切斷電子或離子傳輸、關閉電池反應的溫度感應機制，可有效防控熱失控的觸發。

從材料體系和電池單體的角度出發，基于材料熱相變行為切斷離子傳輸以及基于PTC 材料正溫度系數效應切斷電子傳輸，對從源頭降低熱失控觸發風險、提高電池本征安全性具有重要意義。目前已有的一些實驗結果證實了上述熱失控防控技術具有較高可行性，但由于電池熱失控影響因素眾多，在實際電池體系中的應用仍須進一步驗證。

電池模組層面的擴展模擬模型與防控技術，涉及電池單體間的傳熱、對流、輻射等傳熱路徑，以及熱失控單體噴出的高溫氣體和顆粒物對相鄰電池單體的加熱作用，同時須結合電池密度、比熱容等熱物性參數變化，建立電池熱失控擴展模型，圖7 為熱失控擴展溫度場仿真結果。目前文獻中的熱失控蔓延模型主要分為集總參數模型[110]、二維模型[111]、三維模型[112]，模型維度越高其準確性越高，可用信息越多，但是計算復雜度也越高。熱失控的擴展過程影響因素很多，包括電池熱失控特征溫度、能量釋放速率、電池間的傳熱特性、單體間的電連接等，量化各因素對熱失控擴展過程的影響程度，可為熱失控擴展防控技術提供依據，對綜合考慮成組效率、成本和復雜度的動力電池系統優化設計具有重要意義。

圖7 電池模組熱失控擴展溫度場仿真結果

電池熱管理系統按照冷卻介質分為空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻。相關研究表明，空氣冷卻難以實現對熱失控擴展過程的抑制。基于液冷方式，使用水性PAAS(聚丙烯酸鈉)水凝膠和微通道液冷[111－113]可有效抑制熱失控在電池間的擴展過程，但目前的研究都沒有討論對成組效率的影響，也沒有實現最優化設計，仍須進一步的研究。相變冷卻技術方面，目前已有較多基于石蠟復合相變材料進行熱失控擴展防控的研究，但主要針對圓柱形電池，由于其導熱性較差，對大容量方形電池熱失控擴展防控的適用性仍須進一步研究；熱管的導熱性高，在熱失控擴展防控方面具有較大潛力，但目前仍缺乏基于熱管的電池熱失控擴展防控技術的研究。

3.2 被動安全防護到主動風險預測與維護

動力電池的被動安全設計可為電池過充、內短路和內部壓力過大引起高溫時提供必要的安全防護以減少故障損失，卻不能有效避免電池安全事故達到防患于未然的目的。分析電池安全故障的特性與影響因素，綜合電池故障前異常特征，系統研究動力電池系統的熱失控預警與防護控制、熱失控后的延緩擴散控制，開發主動安全防護系統轉被動防護到主動控制，為當前研究開發高安全性動力電池系統的重點內容，對于動力電池系統其安全性取決于動力電池單體、電池箱和電池管理系統三者之間的合理組合，因此實現主動風險預測提高電池系統的安全性，要通過保證以上三者的性能最優。

鋰離子動力電池具有時變、非線性、非均一特征，電池過熱、過充電、外界撞擊、擠壓、穿刺、電池短路等都可成為熱失控的觸發條件，其熱失控行為呈現出多學科領域、多物理場的耦合關系，同時又受外部環境的熱擾動等因素影響，導致鋰離子動力電池系統熱失控的擴展特性在路徑、動力、速率等方面存在顯著差異，甚至引發鏈式反應，因此研究熱失控鏈式擴展過程中鏈間主要觸發模式，闡明電池單體間熱、電的作用和反作用機制，探究熱量傳播路徑及其傳熱能力占比關系，建立多物理場的熱失控擴展耦合數學模型，為揭示鋰離子動力電池系統的熱失控擴展規律提供理論指導，且對鋰離子動力電池熱失控行為的高效準確預測提供強有力的理論支撐。

鋰離子動力電池系統由成百上千個單體電池構成，該系統不僅保留單體電池高非線性特征而且具有溫度敏感、加速老化和不一致性等特性，因此保證電池系統的安全應用更為復雜，電池系統的環境條件、熱失控觸發方式與加載狀態、電池成組連接方式、電池熱管理形式等因素直接影響電池未來熱失控擴展過程。從系統視角考慮安全故障問題，設計安全可靠的電池組連接方式，對于失效電池要及時有效隔離阻止熱擴散，對于正常運行電池系統防止超負荷工作；優化電池箱內排氣孔設計，實現箱內氣體的快速釋放確定定向通風和自適應氣體釋放量的氣孔；在電池箱內合理布置溫度傳感器，對高溫電池初步篩查預警。

為了提高動力電池抗熱失控風險的能力，研究熱失控早期預警機制并引入電池管理系統(BMS)，是提升鋰離子動力電池安全性的重要手段[114]。目前的熱失控早期預警方法分為基于電池電壓、電流、溫度等外部參數的熱失控預警技術和基于內部狀態預測的熱失控預警技術和基于氣體檢測的預警技術。由于缺乏對電池系統內部狀態的準確模擬，基于外部參數的熱失控預警技術難以全面評估電池單體潛在熱失控風險，故障預警時間較短。因此，有學者提出利用嵌入式可折疊布拉格光纖傳感器監測內部溫度[115－116]，或采用阻抗相移快速監測法[117]的基于電池內部狀態的熱失控預警方法。在熱失控早期，電池內部副反應產生大量氣體，而溫度、電壓等特征參數變化仍不明顯，因此有學者提出基于氣體檢測裝置的電池熱失控早期預警技術[118]，基于電池內部狀態預測及氣體檢測的電池熱失控早期預警技術在理論上能夠提高熱失控早期預警效果，但需要在電池系統硬件結構上進行改造，在電池系統上的實際應用還須不斷探索。

鋰離子動力電池在使用過程中會不斷發生容量衰減、內阻增大等性能衰退，其安全性能(耐熱、耐過充性能等)也會隨之變化，單體間不一致性的增加也會降低電池系統的可靠性[119]。電池在觸發熱失控之前可能會經歷安全性不斷降低的“演化”過程。鋰離子動力電池內部狀態與電池故障安全密切相關，通過監控動力電池的端電壓、表面溫度可判斷電池的安全狀態，獲取電池內部狀態如荷電狀態(SOC)、健康狀態(SOH)、功率狀態(SOP)以及剩余使用壽命(RUL)，可以主動預測電池故障概率，計算鋰離子動力電池安全狀態(SOS)。然而可在線實用的狀態估計參數，不僅要求精確可靠的電池模型而且復雜的計算過程對硬件提出較高要求，因此準確在線掌握電池內部狀態需要將理論與實際工程結合。

在基于大數據的動力電池系統熱失控潛在故障預測方面，國內一些科研機構和企業初步開展了基于大數據的動力電池故障挖掘和潛在故障分析。北京理工大學基于大數據平臺和熵值方法提出了新能源汽車電池系統的安全預警方案，實現了溫度故障及其導致的熱失控診斷和預測[120－121]；提出了基于多層次篩選算法的動力電池單體電壓故障離群點識別方法[122]，并進行了實車驗證，對之后開展大數據技術動力電池系統潛在故障分析的研究提供指導。融合大數據分析、人工智能算法構建動力電池熱失控潛在故障判定和預測方法，不僅提供先進的理論和關鍵技術，還可為全面提升我國新能源汽車運行安全水平、引領世界新能源汽車產業發展打下堅實基礎。

4 結論

(1) 簡述了動力電池系統安全的分類，重點闡述了動力電池安全狀態的定義方式，介紹了高壓安全及熱失控基本概念，提出了電池系統安全框架。

(2) 從安全機理、控制機制和防控結構3 個方面，詳細綜述了當前對電池安全管理的成果以及研究思路，將現有安全設計歸納為材料層面、單體層面和系統層面。

(3)針對當前電池安全研究的不足，從電池系統設計不同層面，提出從機理分析到系統優化設計，從被動安全防護到主動風險預測的技術趨勢預測。

(4)提出動力電池安全防控技術與其他功能存在一定沖突，例如電池間隔熱的方法會加劇電池組內部溫度不均，與溫度一致性的設計目標相矛盾；隔熱、排氣、滅火等裝置的增加都會降低電池組的能量密度，并增加成本。

因此，綜合考慮性能指標、安全性和設計成本等因素，進行電池系統設計優化仍是動力電池待解決的難題之一。