新能源汽車動力電池熱失控機理和安全風險管控方法的研究

摘 要：隨著全球能源結構轉型和環境保護需求的迫切性日益凸顯，新能源汽車作為綠色出行的主力軍，其發展勢頭迅猛，而其中的動力電池系統作為新能源汽車的心臟，其安全性能直接關乎車輛的運行安全與乘客生命財產安全。然而，動力電池在運行過程中，尤其是過度充電、過熱失控等極端條件下，存在熱失控風險，可能引發安全事故，這不僅限制了電池性能的充分利用，還對公共安全構成威脅。因此，深入探討新能源汽車動力電池熱失控機理及其安全風險管控方法，不僅是技術挑戰，更是社會責任和科研前沿的緊迫課題。

關鍵詞：新能源汽車 動力電池 熱失控 機理 安全風險

0 引言

新能源汽車動力電池熱失控機理與安全風險管控的研究，是一個復雜且持續演進的科學領域，它不僅要求我們在微觀層面深入理解電池材料特性、熱力學、電化學反應機制，還需要宏觀上優化設計先進的監控系統、管理策略和應急措施。

1 動力電池過充熱失控機理

動力電池過充熱失控機理是一個涉及多因素、多層次的復雜過程，它直接關系到電動汽車的安全性和使用壽命。過充電不僅會加速電池老化，還會觸發一系列連鎖反應，導致電池熱失控，嚴重時甚至引發火災或爆炸。

在未過充狀態下，電池內部的鋰離子在電解液中穩定遷移，完成正常的充放電循環。此時，電池管理系統（BMS）通過精確監控電壓和電流，確保充電過程處于安全范圍內。然而，一旦過充開始，情況便迅速變化。過充初期，鋰離子的遷移速率超出正常范圍，電池內部電阻隨之增加，導致電化學反應加劇，產生額外的熱量。此時，電池溫度雖有升高，但尚未達到危險水平，BMS若能及時介入，仍可避免進一步惡化。

隨著過充持續，電池內部反應加劇，溫度上升成為顯著特征。高溫環境下，電解液分解加速，產生氣體（如氫氣、氧氣等），這些氣體的積累不僅增加了電池內部壓力，還可能與電解液反應形成不穩定化合物，增加安全隱患。此階段，電池電壓異常上升，表明鋰金屬在負極表面開始沉積，形成枝晶，這一過程稱為枝晶生長，不僅消耗活性鋰，還會刺穿隔膜，造成內部短路。

當過充進一步發展，電池內部產氣量驟增，溫度呈指數級上升，進入熱失控的臨界點。高溫導致電解液快速分解，電池內部形成大量氣體，壓力陡增，可能引發電池外殼變形甚至破裂。同時，高溫加速了枝晶的不規則生長，進一步破壞電池結構，加劇短路，形成惡性循環。此時，即使斷開外部電源，電池內部反應也可能因自身產生的熱量而持續，直至電池失效。

2 動力電池安全防護方法

2.1 電池單體安全性設計

電池單體的安全性設計是確保鋰電池高效、穩定、持久工作的基石，尤其是在電動汽車和大規模儲能系統中的應用，安全性尤為重要。從材料到結構，每一層設計都需精心考量，以應對熱失控、短路、化學物質泄漏等潛在風險。正極材料如鎳鈷錳三元材料（NCM），因其高能量密度和長循環壽命備受青睞，但成本和熱穩定性是其面臨的挑戰。研究人員正致力于通過調整元素比例，如增加鎳含量提高能量密度，同時加入鋁等元素穩定結構，以降低熱失控風險。負極材料，尤其是石墨，通過表面改性或摻雜硅等技術，改善其結構穩定性，減少鋰枝晶形成，防止容量衰退，同時提高安全性和循環壽命。電解液是電池內部化學反應的介質，其成分直接影響電池的性能與安全性。傳統有機溶劑如碳酸酯類，雖能提供良好的電導率，但在高溫下易分解，增加火災風險。因此，新型電解液研究集中在開發耐高溫、不易燃的離子液體、固態電解質或含氟化溶劑，以及加入阻燃添加劑，以提高熱穩定性和安全性。隔膜作為電池內部的物理屏障，對防止正負極直接接觸至關重要。傳統PE、PP材質雖性能穩定，但存在吸水性強、耐熱性不足等缺陷。改性隔膜的研究主要集中在提高熱穩定性、耐化學腐蝕性及優化孔隙結構。通過納米填料的引入，如氧化鋁、陶瓷粒子，不僅增強了隔膜的機械強度，還提升了熱穩定性，同時優化了鋰離子通道，減少短路風險。電池殼體設計需兼顧強度、散熱和密封性。輕量化材料如高強度鋁合金、復合材料的應用，既能保證殼體強度，又利于減輕重量。熱管理系統集成于殼體設計中，如液冷系統、相變材料的嵌入，能有效控制電池工作溫度，避免局部過熱，減少熱失控風險。此外，可靠的密封技術防止外部污染物侵入，也是確保電池長期安全運行的關鍵。

2.2 電池系統安全防護設計

2.2.1 新結構電池

新結構電池技術，特別是無模組技術的興起，代表了電動汽車電池系統設計的重大突破，它不僅優化了電池布局，還提升了車輛性能，對推動電動汽車行業可持續發展具有重要意義。以比亞迪的刀片電池為例，這種創新設計在電池包結構上的變革，直接挑戰了傳統電池組的構造，通過簡化層級，實現了電池包的高集成度和輕量化。無模組設計的核心優勢在于極大地提高了電池包的空間利用率。以往，電池組內部的電芯之間需要間隔和復雜的連接線路，這些非功能性結構占據了寶貴的空間。CTP技術通過直接將電池單體緊密排列組合，省去了模組間的冗余空間和配件，使得同樣體積下能容納更多電芯，顯著提升了電池包的能量密度。這種高集成度設計不僅使電動車續航里程得以延長，還為車內布局提供更多可能性，提升了乘坐舒適性和儲物空間。取消模組層級減輕了電池系統的整體質量。減輕的重量對電動汽車來說意義重大，它直接減少了車輛的能耗，提高了能效比，從而在相同電量下實現更遠的行駛距離。這對于減少車輛整體碳足跡、提高續航里程數以及降低成本都有著積極作用。然而，無模組技術在追求高集成度的同時，也面臨著安全性挑戰。密集排列的單體電池增加了電池間熱傳遞的風險，一旦個別電池出現熱失控，熱蔓延速度快，容易導致整個電池包發生連鎖反應。為應對這一挑戰，刀片電池采用了磷酸鐵鋰材料，相較于三元鋰電池，它在熱穩定性上具有先天優勢，降低了熱失控的風險。此外，刀片形態設計增大了電池與冷卻系統的接觸面積，提升了熱交換效率，確保了電池在高功率輸出時能有效散熱，從而保持溫度穩定，增強了電池包的安全性能。

2.2.2 電池包結構優化

電池包結構優化與強化設計是提升電動汽車安全性能、續航里程及整體效率的關鍵環節，它不僅涉及復雜的工程力學設計，還需綜合考慮電氣、熱管理及材料科學等多個維度。利用先進多體動力學仿真軟件進行電池包設計已成為行業標準做法。通過建立高精度的三維模型，工程師可以模擬各種工況下（如正面碰撞、側面碰撞、翻滾翻等）電池包的響應，評估其對沖擊能量吸收與熱失控的抑制能力。仿真結果顯示，盡管當前設計能有效阻止熱擴散，但能量吸收效率有待提升，提示設計師需進一步優化結構以分散沖擊力，增加吸收區域，可能通過增加緩沖材料或設計吸能結構如蜂窩結構。電池單體的排布策略不僅影響熱管理，還直接關聯到電池包的機械強度和碰撞安全。合理排布能夠均勻分布應力，減少局部過載荷，避免電芯損傷。例如，交錯排列電芯或采用Z字形布局可以減少電池間直接傳遞的沖擊力，同時增加電池包的剛度。模組間的隔離結構和加強筋板也是減少形變、提高整體穩定性的有效手段。電池包在整車的安裝位置對安全性和碰撞吸能效率至關重要。研究表明，前部安裝雖能吸收更多碰撞能量，但也可能導致電池包受損風險增加，影響乘員艙安全[1]。因此，平衡考慮，中置或后部安裝更常見，后者雖然吸能效率相對較低，但能較好保護電池免受前方碰撞影響。此外，將電池包集成在車身結構中，如地板下方，利用車輛骨架作為天然保護殼，可增強防護，同時利用車輛結構的剛度分散碰撞力。隔振設計是減少電池包在行駛過程中振動損傷的關鍵。通過使用高性能彈性墊塊、橡膠隔振器或液態阻尼材料，將電池包與車架柔性連接，減少高頻振動傳遞，保護電池內部結構。同時，車身整體結構的強化，如A柱、B柱、C柱加固，以及底部橫梁的加強，間接提高電池包區域的抗沖擊能力，確保在極端條件下的整體穩定性[2]。

3 動力電池安全預測與預警

3.1 動力電池熱失控早期報警方法

在面對動力電池熱失控這一潛在的安全威脅，科學界和產業界正積極探索更為精確、高效的早期預警技術，以期在熱失控的萌芽階段即能迅速識別并采取干預，防止災難性后果的發生。溫度是衡量電池狀態的直接指標，熱失控初期，電池內部溫度的異常上升是最早且最直觀的信號。通過高精度的溫度傳感器，如分布式光纖溫度傳感器陣列或微納流控溫敏元件，部署在電池關鍵區域，可實時監測局部溫升速率，結合算法分析，及時預警熱失控征兆。此外，開發具有高靈敏度的氣體傳感器，對熱失控時釋放的微量氣體（如CO、H?、CH?等）進行監測，亦是早期識別熱失控的有效補充手段。然而，這些技術面臨傳感器成本、封裝工藝及抗干擾性等挑戰，需進一步優化。基于數學模型的預測方法，通過計算熱失控時電池溫度變化與初始溫度的差異，建立預警閾值，提供了一種非直接監測之外的預警思路[3]。這種方法依賴于大量實驗數據擬合模型，需不斷優化算法以提高預測精度。鑒于單一指標預警的局限性，綜合電池組內狀態的監控技術正成為研究熱點。它結合溫度、電壓、電流、內阻抗、電解液位移等多參數，通過算法估算電池健康狀態，識別熱失控前兆。但實際應用中，復雜工況和外界因素（如溫度波動、負載變化）影響了估算精度，需智能算法和補償機制的升級。現有基于外部參量的預警，雖簡便易實施，但缺乏即時性，需發展更快響應的信號處理和算法[4]。

3.2 基于運行大數據的動力電池安全預警方法

在新能源汽車領域，基于大數據的動力電池安全預警系統是確保車輛安全運行的關鍵技術之一，它利用大數據分析和機器學習算法對電池狀態進行全面監控，旨在提前發現潛在風險，有效預防熱失控等安全隱患。系統通過傳感器網絡收集動力電池的關鍵參數，包括但不限于電壓、電流、溫度、電導納阻抗、荷電勢變化率等，這些數據被實時轉化為數字化特征值，形成電池狀態的“快照”。在此基礎上，運用大數據技術構建動態模型，實時捕捉電池運行的細微變化，如溫度波動、性能衰退趨勢，異常信號等，為預警提供數據支持。在大數據模型之上，采用數據挖掘技術，對海量數據進行深度分析，通過模式識別、關聯規則發現、異常檢測等方法，揭示電池運行的隱含蓄信息。例如，通過時間序列分析預測電池健康狀態的衰退速度，異常檢測技術識別潛在故障前兆，為后續預警模型的建立提供科學依據[5]。基于上述分析，構建安全預警模型，設定閾值，當電池狀態偏離正常運行模式，超出預警界限時，系統自動觸發預警信號。風險管控機制同步啟動，包括降功率限制、充電策略調整、緊急停機等，以減少風險。預警等級劃分明確，確保針對性干預，既不過度反應也不延誤。安全預警結果實時傳遞至車輛管理系統，甚至云平臺，實現多級聯防控制中心監控，確保問題得到快速響應。這一機制不僅限于單個例，而能實現車隊級監控，優化資源配置，提高整體安全管理水平。

基于大數據的電池安全預警系統，顯著提升了監控的實時性和精確度，確保了新能源汽車安全運行的高效與穩定。大數據處理技術快速響應，實時監測數據流，幾乎無延遲，即時反饋異常，比傳統方法更快。數據挖掘技術能從復雜模式中提取微弱信號，識別潛在故障早于肉眼觀前，提高診斷精度。模型實現系統性預警，不依賴單一指標，而是綜合評估，降低誤報錯報率，確保預警有效性。預警與車輛控制策略無縫對接，實現風險即時調適配，保障安全同時不影響用戶體驗[6]。

4 結語

綜上所述，通過跨學科的協作、技術創新與政策法規完善，我們能夠不斷推進新能源汽車動力系統的安全性提升，確保其在未來交通運輸的可持續發展中扮演更安全、高效的角色。面對挑戰，我們應保持警覺察，積極行動，以科學的光芒照亮前進的道路，為新能源汽車安全保駕護航，共創綠色、安全的出行未來。

參考文獻

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[2]陳旻，肖凌云，曲現國.新能源汽車動力電池熱失控環境下數據解析研究[J].環境技術，2023，41（01）：63-67+72.

[3]賈子潤，王震坡，王秋詩，等.新能源汽車動力電池熱失控機理和安全風險管控方法的研究[J].汽車工程，2022，44（11）：1689-1705.

[4]周洋捷，王震坡，洪吉超，等.新能源汽車動力電池“過充電-熱失控”安全防控技術研究綜述[J].機械工程學報，2022，58（10）：112-135.

[5]山彤欣，王震坡，洪吉超，等.新能源汽車動力電池“機械濫用-熱失控”及其安全防控技術綜述[J].機械工程學報，2022，58（14）：252-275.

[6]孫振宇，王震坡，劉鵬，等.新能源汽車動力電池系統故障診斷研究綜述[J].機械工程學報，2021，57（14）：87-104.