新能源乘用車電池熱失控預警控制策略

【摘 要】近年來，在電動化浪潮的推動下，新能源乘用車銷量持續攀升。動力電池作為新能源乘用車的核心動力源，肩負著綠色出行的重大使命。然而，電池安全性問題，特別是因熱失控引發的爆炸等風險，已然成為行業內外矚目的焦點。文章深入探究熱失控的誘發因素及反應機制，借助外接熱源模擬試驗，全面剖析電池在熱失控過程中的各項參數變化，并在此前提下，系統歸納出一套行之有效的電池熱失控預警策略，以期提前發現潛在風險，為動力電池的安全使用筑牢堅實屏障。這不但有益于保障駕乘人員的生命財產安全，緩解消費者對新能源汽車安全性能的廣泛關注與擔憂，更能有力推動整個新能源汽車產業的穩健發展，為綠色出行保駕護航。

【關鍵詞】動力電池：熱失控：預警策略

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0013-03

New Energy Passenger Car Battery Thermal Runaway Warning Control Strategy

【Abstract】In recent years，driven by the wave of electrification，the sales of new energy passenger vehicles have continued to rise. As the core power source of new energy passenger vehicles，power batteries shoulder the important mission of green travel. However，battery safety issues，especially the risk of explosion caused by thermal runaway，have become the focus of attention inside and outside the industry. This paper deeply explores the inducing factors and reaction mechanism of thermal runaway，and comprehensively analyzes the parameter changes of battery in the process of thermal runaway with the help of external heat source simulation experiment. On this premise，a set of effective battery thermal runaway warning strategies are systematically summarized，in order to detect potential risks in advance and build a solid barrier for the safe use of power batteries. This is not only beneficial to protect the life and property safety of drivers and passengers，alleviate consumers' extensive concerns and concerns about the safety performance of new energy vehicles，but also effectively promote the steady development of the entire new energy vehicle industry and escort green travel.

【Key words】power battery：thermal runaway：early warning strategy

1 前言

根據中國汽車工業協會的統計數據，2023年新能源汽車的銷量達到了949.5萬輛，與前一年相比，實現了37.9%的同比增長，其在汽車市場的占有率已經攀升至31.6%。在新能源汽車銷量的持續增長中，純電動乘用車的銷量也呈現出連年上升的趨勢。2023年，新能源乘用車的總銷量為730.5萬輛，其中純電動乘用車的銷量為493.6萬輛，占到了新能源乘用車總銷量的67.6%。

新能源電動汽車的崛起已成為勢不可擋的時代潮流[1]。這一變革首先體現在對傳統燃油車的顛覆上，新能源電動汽車以其高效的能源利用和極低的噪聲特性，為人們的出行帶來了全新的體驗[2-3]。更為關鍵的是，電動汽車摒棄了尾氣排放的弊端，實現了零污染、零排放，為環保事業貢獻了一份力量。因此，對于汽車行業而言，電動汽車的普及是行業發展的必然趨勢。然而目前，在電動汽車帶來一系列便利好處的同時，也帶來了電池熱失控方面的問題[4-6]。本文以電池熱失控為研究對象，深入研究其發生熱失控的深層次原因，并探討解決電池熱失控的預警控制策略，以推動電池熱失控預警控制技術的健康快速發展。同時，也希望通過本論文的研究，引起社會各界對電池熱失控問題的重視，促進相關政策法規的制定和實施，共同維護人們的生命財產安全[7]。

2 電池熱失控參數變化

鋰電池發生熱失控，其核心原因在于電池內部產生的熱量速度遠超過其散熱速度，使得熱量與氣體在電池內部大量積聚，這種積聚最終可能觸發單體電池的燃燒或爆炸現象[8]。一旦單體電池發生熱失控，其影響往往會迅速蔓延至動力電池總成，進而可能引發動力總成乃至整車的熱失控，造成嚴重的安全事故[9]。

為了深入探究動力電池系統熱失控的演變過程，巧妙地利用外接熱源技術，對電池實施精準加熱，以觸發熱失控條件。結果表明，當單體電池發生熱失控時，不僅電池電壓會發生顯著變化，電池及周圍環境的溫度也會隨之產生波動，同時電池包內部的氣壓和氣體成分也會發生明顯的變化。采用溫度信號、電壓信號、氣壓（或氣體成分）和煙霧信號這4類信號作為異常現象判斷。

在熱失控發生之前，電池的溫度會經歷一個持續且相對快速的上升階段，這一溫度上升過程會顯著超出電池正常使用的溫度范圍。緊接著，電池會出現排氣現象，過程中電壓會跌落到2V左右。再過一段時間，電池電壓會跌至1V以下。期間電壓會有回升，隨后產生煙霧。最后，電壓跌為0，發生燃爆。從電芯的第1次排氣電壓跌落到發生單電芯的熱失控，需要5min的時間。電芯熱失控以后產生的火苗、煙霧及高溫會引燃附近的電芯，造成熱失控蔓延。從某科研院所的試驗結果分析，從第1個電芯發生熱失控到整包發生危險，需要的時間不超過5min。某18650電芯熱失控模擬實驗參數變化如圖1所示。模擬實驗現象見表1。

某18650電芯熱失控模擬實驗現象如圖2所示。通過第1個電芯發生熱失控危險或熱失控現象來判定電池系統發生熱失控危險是可行的，或者制定更嚴格的策略，即在電芯工作發生異常時，判定有熱失控發生的風險，可符合標準的第2個要求。

3 電池熱失控預警策略

3.1 電池熱失控報警系統架構（圖3）

在包含熱失控預警的電池包里面主要包含氣壓568bacf7f1f3b440fe2ce1b4aaf1ab08638a5ed0d4682b67698f6c213052ce76、煙霧和相關氣體的傳感器。信號通過BMS上報到VCU，通過VCU與ICU傳遞給乘客報警信號和T-BOX，并同時傳遞給數據監控平臺，以便進行故障原因分析。

3.2 電池熱失控預警控制策略

根據實驗數據分析，在熱失控發生時，如果BMS的所有測量值均有效，則可以檢測到的故障子條件包括：溫度過高、溫升過快、電壓過低、壓降過快、氣壓波動、釋放氣體和煙霧。

信號分為溫度類、電壓類、氣壓類、氣體類。如果出現任意兩類條件同時滿足，則可判斷發生熱失控事件。但只要氣體快速釋放和煙霧產生，也可判斷發生熱失控事件[10-11]。判斷條件及描述見表2。

4 總結

在具體應用中，由于成組的并聯方式電池的單體電壓過低或電壓壓降過快，可能不易發生。由于溫度點布置的原因，某些單體的溫升過快和過高也可能不易檢測到。所以在有條件的情況下，盡量能夠增加壓力傳感器或煙霧或可燃氣體傳感器。監測壓力、煙霧和氣體，對熱失控的預警是有積極意義的。

策略的結果可按兩種方案設計。一種是可能發生熱失控，控制預警時間超過5min;另一種是較為嚴苛的設計，在電池狀態發生異常，就判定存在熱失控風險，并報警檢修。第2種策略較易設計，且有更大的安全設計冗余。

綜上所述，新能源汽車電池熱失控問題呈現出多維度的復雜性，需全面審視并處理因參數變化所引發的溫度、電壓、氣壓（氣體成分）及煙霧等4類異常信號。此外，深化對新能源汽車電池的研發力度亦至關重要，旨在持續提升電池效能與耐用性，從而為新能源汽車的廣泛普及與應用提供更為堅實的技術保障。

參考文獻：

[1] 翟旭亮，王文健，劉渺然，等. 基于主動降溫的熱失控鋰離子電池熱擴散抑制研究[J]. 汽車工程師，2023（1）：1-6.

[2] 周少杰. 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]. 時代汽車，2024（3）：80-82.

[3] 邵慶，喻攀，黃歡，等. 鋰電池熱失控預警機制設計[J]. 內燃機與配件，2020（9）：232-234.

[4] 張玉坤，鄒朝輝，張云霞. 車用鋰離子電池失效分析與預防措施綜述[J]. 汽車工程師，2023（4）：1-8.

[5] 申江龍. 新能源汽車電池包熱失控防護措施優化研究[J]. 汽車測試報告，2023（4）：64-66.

[6] 劉奕，張旭，陳現濤，等. 不同壓力下軟包裝鋰離子電池的熱失控研究[J]. 電池，2020（3）：237-241.

[7] 徐傲. 新能源汽車鋰動力電池熱狀態仿真和熱失控分析[D]. 濟南：山東大學，2021.

[8] 李致遠，魯銳華，余慶華，等. 動力電池熱失控特征及防控技術研究分析[J]. 汽車工程，2024，46（1）：139-150.

[9] 焦紅星，張延星，李甲. 電池熱失控防護方案仿真分析[J]. 汽車工程師，2021（9）：22-25.

[10] 徐振恒，周曉燕，付佳龍，等. 鋰離子電池熱失控及其預警方法[J]. 科學通報，2023，68（33）：4501-4516.

[11] 鮑曉東，張仙妮，劉國強. 新能源汽車動力電池熱失控研究分析[J]. 機電產品開發與創新，2022，35（2）：100-102.

[12] 李愷翔，王珺瑤，李士戎. 鋰離子動力電池系統熱失控檢測方法和技術綜述[J]. 科技創新與生產力，2021（11）：42-47.