電動汽車動力電池熱失控及防控策略綜述

潘德文

（遼寧裝備制造職業技術學院，遼寧沈陽 110161）

0 引言

隨著我國“雙碳”戰略目標的提出，新能源汽車的銷售占比持續增大，車企相繼發布了退出制造燃油汽車的計劃。雖然新能源汽車的技術革新取得很大進展，但新能源汽車實際使用過程中安全事故仍不斷增多。根據國家應急管理部消防救援局對我國2022年第一季度新能源汽車引發火災的統計結果來看[1]，新能源汽車引發的火災同比升高32%，整體上升幅度較大，其中自燃事故占較大比例，且事故車輛囊括國內外各大品牌。新能源汽車自燃事故，往往與其動力電池熱失控有直接關系，新能源汽車的電池安全問題已引起國家高度重視，2022年3月，工信部頒布了《2022年汽車標準化工作要點》，提出對電動汽車動力蓄電池安全相關標準進行修訂，進一步提升動力蓄電池熱失控報警和安全防護水平；加快推進電動汽車遠程服務與管理系列標準研究，修訂燃料電池電動汽車碰撞后安全要求標準，進一步強化電動汽車安全保障[2]。作為新能源汽車中的一種類型，電動汽車在汽車銷售的數量上逐年增多，其動力電池的安全保障亟須加強，動力電池熱失控是電動汽車安全性上必須攻克的一大難題。

1 電動汽車動力電池簡介

1.1 電動汽車動力電池的種類和特點

電動汽車動力電池的種類有化學電池、物理電池和生物電池，中商產業研究院鑒于對汽車市場的調研報告，得出在電動汽車上應用較多的是化學電池[3]。通過文獻分析和汽車市場調研，總結電動汽車動力電池的特點如表1所示，而鋰離子電池是一種應用最廣泛的化學電池。本文將以鋰離子電池為例，對動力電池熱失控進行分析。

表1 電動汽車動力電池的特點

1.2 鋰離子電池溫度特性

電動汽車動力電池在不同的溫度下所表現的性能是不同的，當溫度較低或較高時鋰離子電池在充放電的過程中會出現不同的性能。元佳宇認為當溫度較高時，電解質的活性強，離子流動速度快，電阻變小，充電容量變大；當溫度較低時，電解質不易擴散而濃度變大，電阻變大，充電容量變小[4]。殷艷花等以磷酸鐵鋰離子電池為研究對象，得出充電容量隨著溫度的變化情況（見圖1）：在-10 ℃～10 ℃時，磷酸鐵鋰離子電池的充電容量隨著溫度的降低而變小，且衰減的速度較快；在10 ℃～40 ℃時，磷酸鐵鋰離子電池的充電容量隨著溫度的升高而變大；在40 ℃時，磷酸鐵鋰離子電池的充電容量達到峰值；在40 ℃～50 ℃時，磷酸鐵鋰離子電池的充電容量隨著溫度的降低而變小，且衰減的速度較慢[5]。由此可得，鋰離子電池處于較高或較低溫度時，將影響電池的充電容量，進而影響電池的使用性能。

圖1 磷酸鐵鋰離子電池的充電容量與溫度的關系

2 電動汽車動力電池熱失控原因分析

2.1 高溫起火

電池自燃是電動汽車動力電池起火的主要原因之一，汽車在行駛中或停放中均可能發生電池起火。汽車在行駛的過程中，電池不斷輸出電流，當電池內部出現短路時，電池內部會持續不斷地產生熱量，當熱量積聚后達到材料的燃點，將引起電池高溫起火[6-7]。汽車停放時也曾發生起火事件，說明在斷電的情況動力電池也會引發起火。

2.2 充電起火

充電起火是電動汽車動力電池起火的重要原因之一，其發生的概率小于高溫起火，其中正常充電時起火的概率大于其他設備或原因引起的充電起火[8-9]。隨著電動汽車的研發和生產，各省市充電樁的安裝數量逐年增多，而充電樁引發的起火事件逐年增多。研發人員在設計動力電池追求高比能量時，應考慮充電時電池熱量的控制。

2.3 碰撞起火

電動汽車發生撞擊會給動力電池帶來劇烈的沖擊，容易造成電池模組結構損壞和短路[10-11]。電動汽車電池箱的設計應滿足通風、散熱、隔熱、防水等功能。如果電池受到沖擊后能夠自主吸能或防止變形，就能避免碰撞引發的起火。

2.4 其他原因起火

電動汽車動力電池在其他情況下也會出現起火，如動力電池在擠壓、加熱、針刺時，電池內部隔膜會熔融，致使電池正負電極相互接觸，發生內部短路，進而電池內部化學材料出現放熱反應，最終引發電池起火[12]。

3 電動汽車動力電池熱失控機理分析

失效機理分析用于判斷和預防失效現象，電動汽車動力電池在使用過程中常出現各種失效問題，歸根到底就是電池材料的失效。而動力電池的失效原因是由多種因素引起的，通過分析失效原因，總結失效機理，才能從根本上解決動力電池熱失控問題。機械濫用、電氣濫用和熱濫用均可引起電動汽車動力電池熱失控（如圖2所示），這三種情況存在一定的相關性[13]。機械濫用導致電池外部變形，電池變形會導致電池內部短路，就會發生熱濫用。過度充電和過度放電都會導致電氣濫用，電池內部會發生放熱反應。一旦熱量在電池中積聚，就會發生熱濫用。熱濫用導致電池內部溫度持續升高，造成電池熱失控的鏈式反應，最后引起電池起火。

圖2 電動汽車電池熱失控機理

3.1 機械失效機理分析

在浸水、碰撞、刺穿等情況下會發生電池結構受損，多個電池單元同時短路，進而造成大面積的放熱、燃燒，甚至爆炸。這種電池的熱失控會迅速將車輛內部點燃，產生較多的有毒氣體，同時受損車輛可能將車內人員困在車內，這種事故在幾分鐘內將發展成為對人身的傷害，甚至引發威脅生命安全的可怕后果。因此，在交通事故中，要防止電動汽車因為電池機械失效產生危險。車企為了追求更長的續駛里程，制造高比能量的電池，而電池安全技術很難達到要求，因此動力電池出現燃燒、爆炸的事故概率就很高。文獻14建立電池的力學模型，模擬了在動力電池受到擠壓、彎曲后在危險SOC值和高沖擊速度下的動力學行為及機械應力狀態，以此研究電池在擠壓、彎曲狀態發生的機械濫用[14]。文獻15在電池模組級別進行了鈍挫傷和釘刺試驗，研究了在不同SOC值下動力電池熱失控時產生的氣體對熱失控的危害，得出針刺和壓痕測試所引起的電池放熱能夠很快地傳播到電池的外殼和施壓物體[15]。文獻16對拆解的電極開展了不同角度、不同應變率、不同電池荷電量以及電解液浸潤環境下的力學測試，發現電極的力學性能受應變率和電解液含量的影響明顯，同時陽極表現出了明顯的SOC強化效應[16]。

3.2 熱濫用失效機理分析

接觸電阻異常增大后產生大量的電阻熱，可能引發電池局部過熱，進而造成熱失控。電池箱體里包含了電池包和其他元件，它們之間通過金屬接頭相連。如果車輛行駛在崎嶇路面或者電池箱內各部件在裝配的過程中出現問題，將導致金屬接頭松動，引起電池局部接觸電阻過大，電池將產生大量的電流。通過歐姆定律可知，歐姆熱的累積會使電池內部和表面迅速升溫，電池中的電解液會不斷地蒸發，造成電池鼓包或可燃氣體的生成，最后引發起火。常潤澤對電池側面進行加熱來觸發電池熱失效，電池內部溫度先是較快上漲，隨后直線上升至970 ℃左右，電池電壓緩慢下降，相較于針刺觸發熱失控，電壓下降趨勢平滑，電壓波動較小，當電壓下降至3.2 V左右時，電池內部溫度達到第一個峰值，此后電壓跳水，迅速降為0V，電池電壓跳水過程電池內部溫度進一步上升，溫度達到1000 ℃左右[17]。孫旭東認為環境溫度超出合理范圍導致電池溫度過高，進而導致動力電池各種副反應產熱，電池溫度不斷提高，最后造成動力電池過熱而發生熱失控[18]。

3.3 電氣濫用失效機理分析

過度充電、過度放電會引發鋰離子電池正負極的永久性損傷。在過度充電的過程中，隨著更多的鋰離子存滿負極，使部分鋰離子無法再被釋放出來，并從負極表面向正極方向生成樹枝狀結晶，最終突破隔膜使正負短路。在過度放電過程中，電池負極的電位增高，在負極電位達到銅箔集流體溶解電位時，銅箔電化學反應溶解的銅離子通過隔膜流向正極，并在低電位區被還原為金屬銅，最終金屬銅突破隔膜，引發電池內部的短路，從而使溫度不斷攀升，達到起火溫度導致電池起火。張建華對90 %SOH的三元動力電池在不同倍率下進行了過充實驗，得出在過充過程中溫度和電壓隨時間的變化趨勢一致，過充倍率越大，越容易發生熱失控，建議將充電過程中電壓達到最高點后的持續下降作為熱失控預警的參考[19]。JI等對不同充放電循環次數下的電極進行力學測試，發現負極在高倍率高循環次數下拉伸性能減弱而壓縮性能增強，正極也有相似的趨勢但沒有負極明顯[20]。

4 電動汽車動力電池熱失控的防控策略

4.1 采用新型電池材料和防火涂層

使用新型防火涂層、航天級防火材料，對電池殼體進行噴涂，提升電池殼體的耐熱、耐高溫等防火能力，有助于遏制和減緩火勢的蔓延，避免火災的擴大，減少火災發生時的損失程度，同時增加施救的時間，防止駕駛員和乘客在火災中受困于車內。在電池包傳熱介質的選擇上，添加高導熱材料、多孔導熱材料，增強復合相變材料的導熱性能。通過不斷嘗試新的散熱材料，獲得更加優異的散熱性能，目前對于復合相變材料的研究較為廣泛，其中最具有代表性的是高性能的膨脹石墨。高飛等制備了以三元乙丙橡膠為基體的阻燃防護材料，該材料可以隔離電池單體爆燃時釋放出的熱量，控制電池單體殼體表面溫度不超過50 ℃，進而阻斷了熱失控在電池系統內的擴散[21]。李向梅等就三元乙丙橡膠對鋰離子電池熱失控過程中的阻燃效果進行研究，得出采用3 mm的三元乙丙橡膠阻燃熱防護材料可以起到有效的阻燃作用[22]。梁邦朝設計了一種具有高導熱的復合相變材料，并成功應用選擇性激光燒結技術將復合相變材料制造成型，通過模擬仿真，驗證了復合相變材料電動汽車電池熱管理系統滿足正常運行的要求，可以有效避免熱失控[23]。

為了減少電池內部短路的問題，應優化電池材料的防火性能，開發更具阻燃性的新型材料，進而起到有效的防火功用。韋家輝認為電池隔膜常用的PE材料和PP材料等耐高溫性能不強，當電池溫度過高時，不足以起到阻燃的效果[24]。羅海靈對軟包電池進行了穿孔試驗，得出隔膜材料的力學性能對于電池在穿孔工況下的安全性具有決定性的影響，采用具有高延伸率的隔膜有助于降低軟包電池的短路風險[25]。因此，采用耐高溫的無機納米涂層，其基材選擇防火防爆材料，這樣可以保證電池在高溫環境下的良好狀態，避免短路的發生。為了提高電解液的防火性能，可以采用阻燃劑進行處理，防止電池起火后大范圍燃燒。

4.2 優化動力電池熱管理系統

單體電池的存在會影響電池包的散熱性能，加快電池的老化。因此，電池包在滿足整體布局的條件下，合理控制電池之間的距離，遵循流體力學和空氣動力學的基本原理，保證散熱對空間分布結構的要求，合理布置溫度傳感器位置，實時對電池溫度進行監控。通過電池包傳熱實驗來驗證電池熱管理系統，評價傳熱和流動性能，并利用汽車測功機重復實驗，優化電動汽車動力電池熱管理系統，使動力電池處于適宜的溫度下工作。張鳳銀設計了一種電池倉火災自動預警系統，提出了基于多傳感器融合的火災探測模型，得出最終火災預測結果[26]。劉江鐸利用數字孿生技術在汽車電池上裝載監測設備，不僅能夠實現對電池溫度的監測，還可以對每個電池單元進行精細化監測[27]。李浩亮提出一種電池熱管理與熱失控阻延系統，通過鋰離子電池的三維放熱仿真模擬以及惰性氣體擴散的二維仿真模擬，與其他溫度傳感器測量值的對比，設計了特殊工作模式提高了系統判定的準確性，大大降低了溫度誤判的影響[28]。

動力電池熱管理系統不僅對電池電壓、溫度進行監控，還會監控電池老化程度、電解質濃度和離子濃度分布等。通過對監測數據的分析，獲得電池可能產生熱失控的判斷依據，當數據出現異常時，通過云端和車體內報警裝置進行報警，同時電池熱失控前告知車內人員遠離汽車或提示車內人員做出“搶救性”操作，保障車內人員的安全。薛金花將熱失控前的故障報警時間作為量化指標，提出的基于EMD與相關系數的電池故障早期檢測方法，報警時間比BMS報警提前26 s，實現熱失控前61 s準確檢測出故障，且準確性優于只使用相關系數、信息墑的方法，檢測時間早于基于高斯分布的方法20 s，在避免誤報的前提下實現故障早期階段電壓異常檢測[29]。

4.3 制定高標準動力電池制造工藝

高標準的制造工藝對于動力電池熱失控具有非常重要的作用。在電池制造的過程中，處于濕度低于2 %的干燥房，預判并控制工序對界面的影響，嚴格控制周圍環境的毛刺和粉塵，加強電池箱體殼蓋激光焊接的強度。動力電池中的溫度傳感器采用變比的模數轉換技術，提高電池在熱失控時溫度傳感器探測的靈敏度和響應速度。祝龍記提出單只電池監控、電池組液冷循環、電池組間隔離罩隔離及加液氮控制熱失效連鎖反應的組合模式，來保護鋰離子電池組熱失效安全[30]。許彬提出的虛擬溫度，相較于K型熱電偶，光纖光柵傳感器可實現對鋰離子電池表面溫度和應變的雙重監測，建議光纖光柵傳感器用于鋰離子電池表面溫度監測[31]。

4.4 實施動力電池專業化維護

組建動力電池專業維修機構進行維護，制定電池維護和管理計劃，檢測電池連接狀態、電壓、漏洞、緊急加速功能。謝鵬認為堅持日常維護和測試，根據電池的實際使用情況進行升級和維修，并及時記錄檢測和維修情況，避免維護不及時所引發的動力電池熱失控[32]。鮑曉東認為電動汽車必須使用符合國家標準的充電器，合理安裝充電保護裝置，使用鋰離子電池保護線路板和電池管理系統，符合充電設備廠家認可的充電條件[33]。在電池充電的環境中，電池溫度保持在10 ℃～40 ℃，避免腐蝕性、爆炸性、絕緣性氣體、導電灰塵、火源附近等不利環境[34]。

5 結束語

熱失控是電動汽車動力電池引發起火的主要原因，威脅到汽車和車內人員的安全。作為電動汽車上關鍵核心部件，動力電池熱失控的研究對電動汽車的安全性能尤為重要。通過對電動汽車熱失控原因分析，得出電池熱失控的機理和特點。通過采用新型電池材料，使用防火材料進行噴涂，優化電池熱管理系統，建立電池熱失控監測系統，制定高標準的電池制造工藝，并實施專業化維護，綜述研究了電動汽車電池熱失控的防控策略，為探索電動汽車動力電池熱失控提供參考。