新能源汽車動(dòng)力電池安全管理技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)分析*

王震坡，袁昌貴，李曉宇

(1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 電動(dòng)車輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081)

前言

新能源汽車是我國(guó)戰(zhàn)略新型產(chǎn)業(yè)之一，在促進(jìn)可再生能源應(yīng)用和提高電氣化交通運(yùn)輸發(fā)展占重要地位[1－2]。面對(duì)汽車電動(dòng)化時(shí)代的到來(lái)，如何保證“安全”，成為主要關(guān)注的話題，動(dòng)力電池作為新能源汽車核心部件，其安全狀態(tài)的精準(zhǔn)估計(jì)和安全結(jié)構(gòu)防護(hù)需求日益凸顯[3－4]，因此，準(zhǔn)確估計(jì)和預(yù)測(cè)動(dòng)力電池的安全狀態(tài)，提升新能源汽車的耐久性、安全性、可靠性，對(duì)其進(jìn)行全面高效的管理變得非常重要[5－6]。

當(dāng)前研究在動(dòng)力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)展物理機(jī)制和動(dòng)力電池安全性、耐久性、一致性，以及安全電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面取得了階段性進(jìn)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池安全機(jī)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(dòng)力電池與系統(tǒng)熱失控觸發(fā)機(jī)理、安全性與耐久性和一致性之間的耦合機(jī)制與演化規(guī)律和高安全性鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面尚未構(gòu)建完善的理論體系。

本文中綜述動(dòng)力電池安全管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀，首先從動(dòng)力電池安全的概念出發(fā)分別介紹了動(dòng)力電池安全狀態(tài)(SOS)、熱管理和熱失控等研究熱點(diǎn)，著重闡述了動(dòng)力電池安全管理的研究現(xiàn)狀，從動(dòng)力電池安全機(jī)理、安全控制機(jī)制和安全防護(hù)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了全面剖析；針對(duì)當(dāng)前動(dòng)力電池安全管理技術(shù)在新能源汽車中的實(shí)際應(yīng)用，從機(jī)理分析到系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和被動(dòng)安全防護(hù)到主動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與維護(hù)兩個(gè)方面，對(duì)動(dòng)力電池安全管理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析；最后對(duì)以上動(dòng)力電池安全管理技術(shù)的主要內(nèi)容進(jìn)行了全面總結(jié)。

1 動(dòng)力電池安全的基本概念

1.1 動(dòng)力電池安全狀態(tài)(SOS)

通常動(dòng)力電池的運(yùn)行伴隨著電池端電壓、表面溫度分布不均勻、局部溫度過(guò)高等問(wèn)題，嚴(yán)重影響其性能、壽命和安全[9－11]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者，從電池的材料選取、建模和狀態(tài)估計(jì)等方面進(jìn)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(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)對(duì)電池實(shí)際安全情況劃分等級(jí)，如表1 所示[15]。對(duì)于新能源汽車而言，其動(dòng)力電池的安全性與實(shí)際運(yùn)行里程有密切聯(lián)系，因此提出了基于行駛里程統(tǒng)計(jì)的安全分析方法，該統(tǒng)計(jì)表明，隨著運(yùn)行里程的增加，動(dòng)力電池出現(xiàn)安全故障的概率增大，將電池安全劃分為10 個(gè)不同的等級(jí)，如表2 所示[16]。

表2 動(dòng)力電池故障等級(jí)和行駛里程統(tǒng)計(jì)表

動(dòng)力電池安全狀態(tài)方法與通過(guò)動(dòng)力電池外特性參數(shù)如電壓和溫度直接快速反映電池安全情況不同，它通過(guò)預(yù)估電池內(nèi)部狀態(tài)，間接分析和預(yù)測(cè)電池安全故障的風(fēng)險(xiǎn)，該方法的主要思想是監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池是否運(yùn)行在安全區(qū)域內(nèi)[17]，事實(shí)上，對(duì)于電池安全狀態(tài)的主要問(wèn)題是確定電池運(yùn)行中不安全區(qū)域的邊界，因此電池的安全狀態(tài)應(yīng)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(yù)測(cè)狀態(tài)和電池的外部測(cè)量參數(shù)，包括電池的電壓、充放電電流、溫度和各種內(nèi)部狀態(tài)。由式(1)可知，電池的安全狀態(tài)值(fsafety)隨著電池劣化程度(fabuse)的增加而下降，其具體映射關(guān)系與電池類型相關(guān)可定義為指數(shù)函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)等。動(dòng)力電池安全狀態(tài)與外特性參數(shù)之間的基本關(guān)系如圖1 所示，其中SOS 即為式(1)中的fsafety。電池安全狀態(tài)與汽車的安全高效運(yùn)行直接相關(guān)，其狀態(tài)數(shù)值與電池各特征參數(shù)之間的關(guān)系較為復(fù)雜，目前關(guān)于該問(wèn)題尚未具體的定量分析，因此進(jìn)一步深入研究電池安全狀態(tài)對(duì)完善電池安全管理具有重要意義。

圖1 電池安全狀態(tài)與外部端電壓和表面溫度的關(guān)系[17]

1.2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)電池單體和動(dòng)力電池系統(tǒng)提出了不同精度和復(fù)雜度的電池?zé)崮Ｐ?，根?jù)建模思路不同主要可分為分布式電化學(xué)熱模型和集總參數(shù)模型。其中分布式電化學(xué)熱模型通過(guò)產(chǎn)熱、熱累積、對(duì)流和傳導(dǎo)理論構(gòu)建偏微分方程描述電池?zé)釀?dòng)態(tài)行為[18]。該模型精度較高，但也比較復(fù)雜，通常需要使用有限元方法進(jìn)行模擬，此外它涉及的電池化學(xué)和物理參數(shù)難以獲取，并在線應(yīng)用到動(dòng)力電池?zé)峁芾砗凸收显\斷中。為了降低該類模型的復(fù)雜度，Gerver 等[18]提出一種空間縮減的鋰離子電池?zé)崮Ｐ?，Richardson 等[19－20]和 Kim 等[21]進(jìn)一步提出簡(jiǎn)化的狀態(tài)空間表達(dá)式，構(gòu)建簡(jiǎn)化的電池分布式參數(shù)熱模型。

為了實(shí)現(xiàn)熱模型的在線辨識(shí)和應(yīng)用，研究人員提出簡(jiǎn)化的電池集總參數(shù)熱模型。Lin 等[22]提出了基于等效熱阻的2 階狀態(tài)空間熱模型，其狀態(tài)方程見(jiàn)式(2)和式(3)，將電池內(nèi)部與電池表面、電池表面與環(huán)境的傳熱過(guò)程分別模擬為等效熱阻Rc和Ru，如圖2(a)所示，內(nèi)部產(chǎn)熱僅考慮電池內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量，并利用自適應(yīng)卡爾曼濾波估計(jì)電池內(nèi)部溫度。Dey 等[23]基于該模型提出電池?zé)峁收蠈?shí)時(shí)診斷方法。Sun 等[24]通過(guò)考慮電池內(nèi)部熵值變化產(chǎn)生的熱量，改進(jìn)了該熱模型并應(yīng)用到方形電池上。Dai等[25]考慮了模型參數(shù)的時(shí)變性，利用聯(lián)合卡爾曼濾波方法對(duì)電池內(nèi)部溫度和模型參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)，提高內(nèi)部溫度估計(jì)的精度和魯棒性。然而上述研究沒(méi)有考慮到電池?zé)嵝袨楹碗娦袨榈南嗷プ饔茫珉姵販囟壬邥?huì)使內(nèi)阻下降進(jìn)而導(dǎo)致總產(chǎn)熱量降低。Zhang 等[26]建立了方形電池的熱電耦合模型，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)方形電池內(nèi)部溫度的準(zhǔn)確估計(jì)。針對(duì)動(dòng)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(shí)現(xiàn)電池單體溫度和內(nèi)阻的估計(jì)。

圖2 電池等效熱阻模型

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)最重要的功能是在高充放電倍率和極端外部環(huán)境條件下，在電池單體、模組和電池包內(nèi)保持最佳的工作溫度范圍和均勻的溫度分布[28]。有效的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)于阻斷或延緩電池?zé)崾Э厥鹿试趩误w間的擴(kuò)展至關(guān)重要，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可分為被動(dòng)冷卻和主動(dòng)冷卻，或按照冷卻介質(zhì)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)最常用的方式，但由于導(dǎo)熱系數(shù)的限制，無(wú)論是被動(dòng)空氣冷卻還是主動(dòng)空氣冷卻都不能有效阻斷或延緩熱失控的擴(kuò)展[29]。液體冷卻技術(shù)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?cái)U(kuò)展，并且需要電池供電才能運(yùn)行，還有存在液體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)[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(shù)，這兩種冷卻技術(shù)能分別利用存儲(chǔ)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(dòng)力電池系統(tǒng)熱安全性；此外相變冷卻技術(shù)還具有低功耗、低成本和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，具有較大應(yīng)用潛力。

相變材料可在融化/固化過(guò)程中吸收/釋放大量的潛熱，從而在電池正常運(yùn)行或?yàn)E用條件下快速吸收熱量，保持電池系統(tǒng)中的溫度分布均勻性，并且在單個(gè)電池單體發(fā)生熱失控而迅速升溫時(shí)，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(fā)和擴(kuò)展過(guò)程；而正常情況下，相變材料存儲(chǔ)的熱量通過(guò)自然對(duì)流或與一個(gè)小型主動(dòng)冷卻系統(tǒng)耦合傳遞到環(huán)境中。Khateeb 等[34]的研究結(jié)果表明，與自然對(duì)流冷卻相比，基于相變材料的冷卻系統(tǒng)可使電池模塊溫度降低50%。然而，由于傳統(tǒng)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，其冷卻效果有限。為了克服這一缺點(diǎn)，提出了各種提高相變材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的方法，通常在相變材料中加入高導(dǎo)熱系數(shù)的添加劑，如鋁絲[35]、泡沫金屬[36－37]、碳纖維[38]和石墨[39]等，構(gòu)成復(fù)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(nèi)部冷卻系統(tǒng)，并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證該系統(tǒng)的冷卻效果，結(jié)果表明通過(guò)高導(dǎo)熱系數(shù)的相變冷卻技術(shù)能有效抑制熱失控在相鄰電池間的擴(kuò)展。

熱管冷卻方法可克服這些缺點(diǎn)，熱管能在負(fù)壓密封管內(nèi)實(shí)現(xiàn)低沸點(diǎn)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(yuǎn)距離內(nèi)快速輸送大量熱能，且基于熱管的BTMS 具有導(dǎo)熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、幾何形狀靈活和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。Jiang 等[41]提出由電池、相變材料和熱管組成的夾層結(jié)構(gòu)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并建立考慮電池發(fā)熱、相變材料熔融和熱管瞬態(tài)熱響應(yīng)耦合的集總參數(shù)模型，揭示了不同環(huán)境溫度、不同熱管換熱系數(shù)、不同相變材料與電池厚度比下電池溫度和相變過(guò)程的耦合機(jī)理?；跓峁艿碾姵乩鋮s系統(tǒng)在熱失控?cái)U(kuò)展的防控方面具有很好的應(yīng)用前景，Li等[42]將電池內(nèi)短路模擬熱失控模型，與熱管冷卻的流體體積(VOF)模型進(jìn)行耦合，在ANSYS FLUENT中求解，計(jì)算VOF 模型在熱失控過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程和熱失控的擴(kuò)展情況。結(jié)果表明，熱管冷卻不能防止單個(gè)電池內(nèi)短路觸發(fā)的熱失控，但能有效阻斷熱失控在電池組中的擴(kuò)展過(guò)程。

圖3 熱管原理示意圖

1.3 熱失控

從熱失控的觸發(fā)因素分析，動(dòng)力電池?zé)崾Э刂饕从诙酁E用場(chǎng)景導(dǎo)致的內(nèi)短路失效事故。新能源汽車電池系統(tǒng)內(nèi)短路失效率與其電池系統(tǒng)中電芯數(shù)量以及電芯失效率相關(guān)，通常單體電芯的故障率為百萬(wàn)分之一，以統(tǒng)計(jì)1 萬(wàn)輛特斯拉新能源汽車為例(裝配7 104 個(gè)電芯)，電池系統(tǒng)內(nèi)短路導(dǎo)致新能源汽車發(fā)生熱失控失效率不到萬(wàn)分之一[43]。

濫用熱失控是由電氣、熱量、機(jī)械完整性等濫用情況引發(fā)異常的電池老化所致，3 種熱失控觸發(fā)方式如圖4 所示。由于鋰電池完全封閉且內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生易燃的氧化劑，如果發(fā)生以上濫用情況熱量不能及時(shí)散發(fā)，內(nèi)部溫度激增最終將導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象。早期研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池內(nèi)部溫度達(dá)到100 ℃后，電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始產(chǎn)生易燃?xì)怏w，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到430 ℃后，電解液開(kāi)始分解并釋放氧氣，引發(fā)電池內(nèi)部烴類氣體燃燒，由于反應(yīng)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(dòng)力電池的安全使用，動(dòng)力電池必須經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試(UN 38.3，UN R100，SAE－J2464，IEC－62133，GB/T 31485)。

圖4 濫用觸發(fā)熱失控分類[5]

動(dòng)力電池機(jī)械濫用主要指通過(guò)擠壓、碰撞和針刺等形式造成電池內(nèi)短路及溫度異常的安全問(wèn)題，鋰離子電池在遭受機(jī)械濫用后安全性較差，易發(fā)生殼體開(kāi)裂、電解液泄漏，甚至發(fā)生內(nèi)短路及起火爆炸事故[44－46]。對(duì)于機(jī)械濫用的研究分為實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真兩種途徑。實(shí)驗(yàn)方法依賴于力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析并觀察電池在加載過(guò)程中的現(xiàn)象，以及載荷、電壓、溫度等的變化情況；數(shù)值仿真則是利用不同的電化學(xué)及物理基礎(chǔ)建立高精度的鋰離子電池模型，通過(guò)辨識(shí)電池模型的材料參數(shù)，表征其在機(jī)械載荷作用下的力學(xué)行為，通過(guò)有限元仿真的手段來(lái)預(yù)測(cè)電池在載荷作用下發(fā)生破壞的情況，評(píng)估電池失效行為[47]。

對(duì)于動(dòng)力電池的電氣濫用，主要研究外部短路和過(guò)充過(guò)放電等故障問(wèn)題[48]，當(dāng)電池浸水、錯(cuò)誤連接和器件失效后會(huì)發(fā)生外短路故障。由于該故障不會(huì)將熱量釋放在電池內(nèi)部，因此降低了起火爆炸概率。同樣當(dāng)電池發(fā)生過(guò)放行為電池內(nèi)部能量較低，從而降低了電池故障的危害。然而，當(dāng)電池發(fā)生過(guò)充電時(shí)，由于電池內(nèi)部能量聚集且外界能量持續(xù)輸入，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度壓力急劇升高，極易造成電池起火爆炸故障。另外，動(dòng)力電池?zé)釣E用主要是由于電池在極端溫度下進(jìn)行工作，熱量不能及時(shí)散發(fā)所致，通常由于電池溫度管理系統(tǒng)失效等故障所引發(fā)[49]。

熱濫用是觸發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э氐闹苯釉蛑唬?dāng)電池產(chǎn)熱速率大于散熱速率，溫度不斷升高，會(huì)引發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)，最終導(dǎo)致熱失控的發(fā)生[43]。除了機(jī)械濫用和電氣濫用導(dǎo)致的過(guò)熱以外，還可能由于連接松動(dòng)接觸電阻增大導(dǎo)致局部過(guò)熱，此外電池單體內(nèi)阻不一致和散熱條件不同也會(huì)造成熱不一致性。Zheng 等[50]報(bào)道了由于制造缺陷的連接松動(dòng)，局部接觸電阻過(guò)大引發(fā)熱失控。Wang 等[51]考慮到汽車實(shí)際運(yùn)行工況，提出基于香農(nóng)熵的電池連接松動(dòng)診斷方法。以上兩種方法均可實(shí)現(xiàn)提前電池故障診斷，對(duì)于防止電池出現(xiàn)濫用現(xiàn)象具有重要作用。

2 動(dòng)力電池安全研究關(guān)鍵技術(shù)

2.1 熱失控機(jī)理

動(dòng)力電池在機(jī)械損害、電濫用和極端應(yīng)用環(huán)境等條件下的事故最終均以熱失控的形式體現(xiàn)。單體熱安全與其內(nèi)部的電化學(xué)體系類型、材料構(gòu)成、結(jié)構(gòu)形式、封裝形式、容量、結(jié)構(gòu)、外形、尺寸形式以及工藝狀況等直接相關(guān)，以磷酸鐵鋰和三元材料體系鋰離子動(dòng)力電池為研究對(duì)象，對(duì)鋰離子動(dòng)力電池正負(fù)極、電解液和隔膜等關(guān)鍵材料在熱失控不同階段發(fā)生的副反應(yīng)和產(chǎn)物進(jìn)行了系統(tǒng)分析[52]。基于電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)原理，探究鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)部電極材料在出現(xiàn)機(jī)(針刺、擠壓等)－電(過(guò)充、短路等)－熱(加熱、火燒等)濫用狀況下的物理結(jié)構(gòu)演變和化學(xué)反應(yīng)，將動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理總結(jié)為隔膜刺穿、正極析釋活性氧、負(fù)極析活性鋰，最終導(dǎo)致內(nèi)短路觸發(fā)熱失控，本節(jié)從以上3 種機(jī)理分別進(jìn)行綜述。

動(dòng)力電池常用的隔膜PE 和PP 均為聚乙烯材料[53－54]，當(dāng)溫度升高達(dá)到其熔點(diǎn)后隔膜將吸熱收縮，該過(guò)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(dǎo)致電池內(nèi)部鋰離子無(wú)法轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為電池內(nèi)阻急劇增加，在有電流流過(guò)時(shí)電池出現(xiàn)異常發(fā)熱，繼而加速隔膜熔化造成惡性鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[55]。另外，隨著隔膜收縮面積減小，電池內(nèi)部正負(fù)極將失去隔離而導(dǎo)通觸發(fā)電池內(nèi)短路故障，當(dāng)溫度持續(xù)升高隔膜蒸發(fā)，電池內(nèi)短路將產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致電池?zé)崾Э匕l(fā)生，因此有必要研制耐高溫隔膜，以阻止因溫度升高導(dǎo)致隔板坍縮。

動(dòng)力電池普遍采用的正極材料為L(zhǎng)CO、LFP 和NCM 等，有學(xué)者對(duì)正極材料的熱穩(wěn)定性進(jìn)行排序，其中LFP 在高溫下表現(xiàn)最穩(wěn)定，LCO 熱穩(wěn)定性較差[56]。Mendoza－Hernandez 等[57]研究了正極材料分別為L(zhǎng)iCoO2和LiMn2O4的18650 電池在不同充電狀態(tài)下的熱失控行為，結(jié)果顯示LiMn2O4的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于 LiCoO2。Arai 等[58]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)熱溫度下鎳鈷錳三元材料(NCM)電池在熱失控前的失效機(jī)理、熱失控時(shí)的溫度特征，同時(shí)還研究了大尺寸軟包動(dòng)力電池過(guò)充電行為?？紤]到 Co 的熱穩(wěn)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(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)用Al 取代可以提高熱穩(wěn)定性，但會(huì)降低NCM111 陰極的可用容量[61－62]。Hammami 等[63]研究發(fā)現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池發(fā)生熱失控后，電解質(zhì)會(huì)與電極材料發(fā)生反應(yīng)生成劇毒的氟代有機(jī)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(zhì)組分會(huì)影響燃燒行為參數(shù)，并且產(chǎn)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(tài)下的 燃 燒 特 性，在 燃 燒 過(guò) 程 中，正 極 材 料Li(NixCoyMnz)O 發(fā)生了相變，由層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。以上學(xué)者通過(guò)材料改性提升電池的性能，同時(shí)Feng 等給出了電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的溫度特征參數(shù)，對(duì)阻止和提早監(jiān)測(cè)電池發(fā)生熱失控有重要意義。

當(dāng)電池內(nèi)部溫度高達(dá)隔膜熔融，電池表面溫度急劇上升，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生負(fù)極析鋰與電解液反應(yīng)和正極與電解液反應(yīng)、電解液自身熱分解，這些反應(yīng)共同作用引發(fā)電池?zé)崾Э?。DSC 測(cè)試結(jié)果表明，負(fù)極與電解液反應(yīng)分為3 個(gè)階段，根據(jù)測(cè)試初始SEI的分解被認(rèn)為第1 階段其溫度范圍設(shè)定在100 ℃附近，第3 階段設(shè)置在250 ℃左右。有研究發(fā)現(xiàn)SEI分解初始的生熱速率與石墨化表面積相關(guān)[66]。隨著溫度的升高，負(fù)極嵌入鋰與電解液發(fā)生反應(yīng)生成SEI，該過(guò)程被稱作 SEI 再生反應(yīng)，在第2 階段 SEI的分解與再生同時(shí)存在，因此SEI 的凈減少量是生成量與分解量之差[67]。當(dāng)電池溫度超過(guò)250 ℃時(shí)，進(jìn)入第3 階段石墨結(jié)構(gòu)分解，該階段參與的化學(xué)反應(yīng)較復(fù)雜，Same 等[68]研究了鋰離子動(dòng)力電池三元材料(NCA)的變化，原位檢測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)試多種負(fù)極石墨材料，認(rèn)為第3 階段的反應(yīng)峰代表陽(yáng)極處的反應(yīng)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э剡^(guò)程的內(nèi)外部特性參數(shù)變化規(guī)律和熱失控影響因素開(kāi)展了大量研究。Wang 等[70]對(duì)前期鋰離子動(dòng)力電池安全風(fēng)險(xiǎn)因素、熱失控理論、基礎(chǔ)反應(yīng)、熱力學(xué)模型以及相關(guān)的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。Jhu 等[71]對(duì)鈷酸鋰18650 電池的爆炸過(guò)程進(jìn)行了研究，建立了動(dòng)力電池?zé)崾Э匮葑冞^(guò)程數(shù)學(xué)模型，闡明了熱失控過(guò)程中鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)外部溫度、電壓和內(nèi)部壓力等特性參數(shù)的變化規(guī)律。Fu 等[72]通過(guò)對(duì)18650 電池?zé)崾Э剡^(guò)程考察，分析了其物質(zhì)流失速率、起火爆炸時(shí)間、熱釋放速率、表面溫度和產(chǎn)氣組分，該研究發(fā)現(xiàn)不同荷電狀態(tài)(SOC)和熱通量會(huì)對(duì)著火和爆炸時(shí)間產(chǎn)生影響，對(duì)動(dòng)力電池多因素影響下熱失控研究具有指導(dǎo)價(jià)值。

2.2 熱失控?cái)U(kuò)展機(jī)理

電池單體觸發(fā)熱失控后在短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱量，電池溫度急劇升高，通過(guò)固體傳熱、對(duì)流、熱輻射等傳熱方式傳遞熱量給相鄰單體，同時(shí)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(dá)到熱失控觸發(fā)溫度將會(huì)發(fā)生熱失控，即熱失控在電池模組或電池包中不斷擴(kuò)展。

研究人員從鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理及動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論出發(fā)，研究了鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э剡^(guò)程熱量的擴(kuò)展路徑與特性、電池模塊發(fā)熱量、熱容量和各部件之間熱傳遞速率，以及熱失控觸發(fā)的熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和動(dòng)量傳遞過(guò)程。Feng 等[73]對(duì)方殼型三元鋰離子電池串聯(lián)模組進(jìn)行針刺觸發(fā)熱失控實(shí)驗(yàn)，對(duì)熱失控?cái)U(kuò)展機(jī)理及特性進(jìn)行了分析。Lamb等[74]利用10 節(jié)2.2 A·h 的18650 電池簡(jiǎn)易串并聯(lián)模組完成了針刺觸發(fā)熱失控?cái)U(kuò)展實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)模塊比串聯(lián)模塊更容易發(fā)生熱失控?cái)U(kuò)展，Gao 等[75]開(kāi)展的研究也得到同樣的結(jié)論，該研究對(duì)于動(dòng)力電池的成組方式有重要參考價(jià)值。主要原因是并聯(lián)模組中熱失控單體發(fā)生短路，其他單體向其放電導(dǎo)致熱失控單體溫度升高更快，釋放更多熱量，促進(jìn)了熱失控的擴(kuò)展。胡棋威等[76]的研究表明，在封閉體系中熱失控?cái)U(kuò)展比在開(kāi)放環(huán)境下更容易，主要是因?yàn)榉忾]體系中熱失控單體噴出的氣體和火焰會(huì)加熱周圍單體，導(dǎo)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(fā)熱失控?cái)U(kuò)展的幾個(gè)直接因素，且不同電池類型、成組方式、模組環(huán)境條件下，影響熱失控?cái)U(kuò)展的主導(dǎo)因素不同。

在大容量鋰離子電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)展方面，Huang等[77]利用C80 量熱計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，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?zhèn)鞑ヌ匦?，?duì)熱失控?cái)U(kuò)展的臨界溫度進(jìn)行了數(shù)值仿真，并對(duì)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?cái)U(kuò)展過(guò)程。Li 等[78]開(kāi)展了5 個(gè)38 A·h 鋰離子電池模組的熱失控?cái)U(kuò)展實(shí)驗(yàn)，并采用擴(kuò)展體積加速量熱儀(EV－ARC)研究了SOC 對(duì)熱失控?cái)U(kuò)展的影響，結(jié)果表明在100%和50%的SOC 狀態(tài)下，熱失控在相鄰電池之間的平均傳播時(shí)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(chǎn)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(dú)特的密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在運(yùn)行過(guò)程中不可避免存在安全隱患，從電池單體層面來(lái)說(shuō)，隔膜以及負(fù)極電解液均為易燃材料，在高溫下電池內(nèi)部壓力升高增加漏液和燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；從電池組層面來(lái)說(shuō)，成百上千電池單體的串并聯(lián)成組，在封閉的空間內(nèi)緊湊排列，增加了電池組運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)。就目前電池研究水平來(lái)看，動(dòng)力鋰離子電池的安全隱患無(wú)法從根本上解決。

為了保證動(dòng)力電池在安全有效的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，研究人員從材料、電化學(xué)等理論方向出發(fā)，研究鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控特征參數(shù)的演變規(guī)律，Jo 等提出一種熱穩(wěn)定性高的NCA 正極材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(wěn)定性[79]。Lu 等的研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于 Li[NixCo1－2xMnx]O2材料，x＝ 1/4 和x＝3/8時(shí)材料熱穩(wěn)定性較好[80]。當(dāng)電池正極材料被氧化物包覆降低與電解液接觸時(shí)，可抑制副反應(yīng)和熱效應(yīng)，提高正極材料的使用安全性[81]。目前通過(guò)在電解液中添加不同材料的阻燃劑，如有機(jī)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]?？紤]到隔膜在高溫下坍縮，提出電壓敏感隔膜在充電電壓過(guò)高時(shí)，變?yōu)閷?dǎo)體吸收能量保護(hù)材料，然而當(dāng)電池過(guò)充時(shí)產(chǎn)生大量焦耳熱，易引發(fā)熱失控故障。Wang 等[82]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)正極材料碳化層包覆可顯著提高單體電池的熱穩(wěn)定性。Chen 等[83]通過(guò)將離子液體與具有納米空洞結(jié)構(gòu)的氧化鋯相結(jié)合制備出固體電解質(zhì)，在不犧牲電解質(zhì)離子導(dǎo)電性的前提下顯著提高了鋰離子電池的熱穩(wěn)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(nèi)部建立一種能夠在溫度過(guò)高時(shí)及時(shí)響應(yīng)并切斷電極反應(yīng)中的電子或離子傳輸?shù)臏囟雀袘?yīng)機(jī)制，關(guān)閉電池反應(yīng)，以避免其進(jìn)入自加熱的熱失控狀態(tài)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于該思路提出了正溫度系數(shù)電極、熱響應(yīng)微球修飾隔膜、熱聚合添加劑等熱失控防范技術(shù)。采用正溫度系數(shù)材料作為電極集流體表面涂層、電極活性涂層的導(dǎo)電劑或電極活性顆粒的表面包覆層，構(gòu)成正溫度系數(shù)電極(PTC 電極)，當(dāng)電池溫度上升至其阻變溫度時(shí)，電阻率上升幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(yīng)，避免發(fā)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(fù)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(zhì)復(fù)合成厚度僅約15 μm 的電池PTC 材料，具有高的室溫電導(dǎo)率(50 S/cm)和很好的PTC 效應(yīng)，避免了涂層過(guò)厚帶來(lái)的電池能量密度降低的弊端。

通過(guò)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(guò)單體、寡聚物的熱聚合效應(yīng)固化電解液，可及時(shí)切斷電池中的離子傳輸，避免熱失控事故的觸發(fā)，基于熱融化和熱聚合的離子傳輸切斷技術(shù)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(yáng)極或PP/PE/PP 復(fù)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(wěn)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L(zhǎng)i(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2正極材料的表面修飾層，構(gòu)成具有熱關(guān)閉功能的正極。

2.4 安全防護(hù)結(jié)構(gòu)

動(dòng)力電池安全防護(hù)結(jié)構(gòu)不僅提供有效的熱失控阻斷手段，而且為阻斷熱失控?cái)U(kuò)展?fàn)幦r(shí)間，單體電池防護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于安全閥的設(shè)計(jì)，當(dāng)電池內(nèi)部壓力異常時(shí)，安全閥打開(kāi)排出內(nèi)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(shí)際應(yīng)用中電池組的設(shè)計(jì)要滿足密封、防水以及絕熱條件，使多數(shù)安全事故發(fā)生在電池組內(nèi)，因此對(duì)于電池組的安全防護(hù)設(shè)計(jì)要考慮到阻燃、冷卻等方面?；跓崾Э?cái)U(kuò)展過(guò)程的傳熱路徑研究，可在電池單體之間設(shè)置隔熱層以延緩熱失控?cái)U(kuò)展，有學(xué)者提出使用環(huán)氧樹(shù)脂板作為隔熱層，對(duì)熱失控?cái)U(kuò)展進(jìn)行有效阻隔[92]。冷卻技術(shù)不僅保證電池工作在安全的溫度范圍內(nèi)，而且可通過(guò)減少電池間的溫差提升電池組的一致性。從設(shè)計(jì)功能角度來(lái)講，冷卻技術(shù)的評(píng)價(jià)要考慮冷卻效率的高低、冷卻溫度均勻程度和冷卻技術(shù)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(shù)原理示意圖[86]

空氣冷卻依賴于外部風(fēng)扇等設(shè)備強(qiáng)制氣流按照設(shè)計(jì)風(fēng)道流動(dòng)以達(dá)到冷卻目的，該技術(shù)在冷卻性能及均勻性方面較為有效，是當(dāng)前車用最成熟、簡(jiǎn)潔的冷卻方式[94]。Saw 等[95]利用流體動(dòng)力學(xué)方法分析電池包空冷系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布，提供了一種簡(jiǎn)單的電池包內(nèi)溫度估計(jì)方法。Xie 等[96]認(rèn)為電池包內(nèi)溫度場(chǎng)分布與進(jìn)氣角、排氣角以及電池間氣道寬度相關(guān)，采用單因素分析和正交試驗(yàn)的方法對(duì)3 種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Lu 等[97]研究了冷卻通道尺寸和供氣策略對(duì)電池組熱性能的影響，建立了交錯(cuò)排列電池組的三維模型，冷卻能量效率β的提高對(duì)電池水平方向具有明顯冷卻效果，并利用單通道非規(guī)則空氣通道的熱阻模型對(duì)數(shù)值方案進(jìn)行了驗(yàn)證?，F(xiàn)有的研究更多地集中在電池的配置和設(shè)計(jì)/模塊安排，以實(shí)現(xiàn)減少最高溫升的電池組，對(duì)于電池包溫度模型的研究主要基于復(fù)雜的熱力學(xué)分析，忽略了電池包內(nèi)電芯間溫差的影響。Li 等[98]全面考慮電池包內(nèi)溫度的影響因素，從空氣冷卻電池的設(shè)計(jì)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)代碼的建立、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、替代模型的評(píng)估和選擇等方面，提出了一種綜合考慮系統(tǒng)體積和冷卻性能的高效風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

相對(duì)于空冷技術(shù)，液體冷卻具有較高的傳熱能力和較快的熱響應(yīng)，而且適用于夏季降溫和冬季預(yù)熱，有助于促進(jìn)電池組、電機(jī)、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(tǒng)的液體(水或含水乙醇)較低的導(dǎo)熱率限制了冷卻效率，研究人員通過(guò)添加劑或改進(jìn)冷卻液的方式提高冷卻效率。Liu 等[100]提出了一種新型液態(tài)金屬冷卻劑用于電池組熱管理，并通過(guò)數(shù)學(xué)分析和數(shù)值模擬，對(duì)液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)的冷卻能力、泵功耗和模塊溫度均勻性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。液冷技術(shù)中管道數(shù)量、冷卻劑流速、管寬和管高是主要研究參數(shù)，為了分析四參數(shù)對(duì)液冷電池?zé)峁芾砟Ｐ屠鋮s效果的影響，研究人員正交陣設(shè)計(jì)了16 個(gè)模型，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化和量化，確定主要和次要因素，結(jié)果表明管道數(shù)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(duì)于優(yōu)化后的液冷技術(shù)設(shè)計(jì)，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(jù)電池使用工況、電池自身特性等多個(gè)方面綜合設(shè)計(jì)了不同的溫度控制策略[103－ 104]。

相變冷卻技術(shù)是利用儲(chǔ)存在固液相變階段的潛熱，對(duì)電池產(chǎn)生的余熱進(jìn)行被動(dòng)管理[105]，根據(jù)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(duì)于以上兩種冷卻技術(shù)，相變冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗，但會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)增加額外的質(zhì)量[106]。因此，該冷卻設(shè)計(jì)首要解決的應(yīng)用問(wèn)題是使用最少的PCM 實(shí)現(xiàn)溫度在允許范圍內(nèi)。Wang 等[107]設(shè)計(jì)了一種基于泡沫銅和石蠟復(fù)合相變材料(PCM)的新型無(wú)源熱管理系統(tǒng)(TMS)，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值相結(jié)合的方法研究了新型溫度管理系統(tǒng)(TMS)和空氣冷卻系統(tǒng)(ACS)對(duì)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(dāng)?shù)姆秶陵P(guān)重要，以上研究成果通過(guò)冷卻技術(shù)研究試圖控制電池溫度屬于被動(dòng)安全防護(hù)，該溫度控制方式缺失對(duì)溫度的預(yù)判預(yù)處理能力。

相變材料冷卻與風(fēng)冷、水冷相比在對(duì)熱失控?cái)U(kuò)展防控方面具有一定優(yōu)勢(shì)。Rao 等[108]針對(duì)方形電池提出了相變材料冷卻與微通道液冷耦合的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，建立三維熱模型并基于數(shù)值模擬方法研究了液體流量、相變溫度及熱導(dǎo)率等因素對(duì)冷卻性能的影響。熱管利用多孔結(jié)構(gòu)對(duì)液體的毛細(xì)作用，在負(fù)壓密封管內(nèi)實(shí)現(xiàn)低沸點(diǎn)冷卻液(水、醇類或丙酮等)的迅速相變和熱量傳遞，從而體現(xiàn)超高的導(dǎo)熱特性。此外，Li 等[109]學(xué)者提出用鋁箔等金屬片作為電池組散熱器，并對(duì)其進(jìn)行幾何優(yōu)化以提高導(dǎo)熱效率，以上研究對(duì)于抑制熱失控在電池組中的擴(kuò)展過(guò)程具有重要作用。

3 動(dòng)力電池安全管理發(fā)展趨勢(shì)

動(dòng)力電池作為能量載體，隨能量密度的提高其安全隱患越發(fā)突出，因此防止動(dòng)力電池系統(tǒng)熱安全事故發(fā)生、阻斷或延緩熱失控?cái)U(kuò)展研究工作尤為重要。對(duì)于當(dāng)前動(dòng)力電池安全管理要以熱失控前預(yù)報(bào)警、熱失控中延緩擴(kuò)展和蔓延、熱失控后減小損失為目標(biāo)，在動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展動(dòng)力電池安全指標(biāo)體系、安全性的防護(hù)控制策略、機(jī)－電－熱濫用防護(hù)方法等理論研究，以及高安全性動(dòng)力電池的材料設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成組方式設(shè)計(jì)、電池箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工程設(shè)計(jì)方法研究是及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱失控隱患、阻斷或延緩熱失控?cái)U(kuò)展的有效途徑。動(dòng)力電池安全管理發(fā)展趨勢(shì)如圖6 所示。

圖6 動(dòng)力電池安全管理發(fā)展趨勢(shì)

3.1 機(jī)理分析到系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在熱失控觸發(fā)及擴(kuò)展機(jī)理分析的基礎(chǔ)上建立電池?zé)岚踩Ｐ?，從材料、單體、系統(tǒng)多尺度開(kāi)展系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，能有效降低動(dòng)力電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)或及時(shí)阻斷、延緩熱失控在電池組中的擴(kuò)展，因此將動(dòng)力電池系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)趨勢(shì)歸納為電池系統(tǒng)建模及防控技術(shù)研究。

電池單體熱安全模型可分為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、單體熱失控集總參數(shù)模型和單體熱失控三維模型。熱失控反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(yīng)等，對(duì)電池材料的不同組合方式開(kāi)展DSC 測(cè)試，標(biāo)定不同材料組合各副反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)合質(zhì)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(guī)律的數(shù)學(xué)模型。單體電池?zé)崾Э丶倕?shù)模型可實(shí)現(xiàn)電池?zé)崾Э剡^(guò)程的溫度、壓力和噴閥預(yù)測(cè)，三維模型還可預(yù)測(cè)熱失控在單體內(nèi)部的蔓延及溫度場(chǎng)演變過(guò)程。

在單體層面進(jìn)行電池?zé)崾Э氐姆揽?，一方面可提高電池材料熱穩(wěn)定性，另一方面可利用電流斷路器、正溫度系數(shù)電阻、泄壓閥等安全器件實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池材料的改性、篩選和匹配性研究，例如通過(guò)電極材料表面改性抑制晶格失氧、電解質(zhì)固態(tài)化以降低可燃性等手段可提高電池材料的熱穩(wěn)定性與安全性，是從源頭降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)的重要手段[82－83]。此外，在電池內(nèi)部建立一種能在溫度過(guò)高時(shí)及時(shí)響應(yīng)并切斷電子或離子傳輸、關(guān)閉電池反應(yīng)的溫度感應(yīng)機(jī)制，可有效防控?zé)崾Э氐挠|發(fā)。

從材料體系和電池單體的角度出發(fā)，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(shù)效應(yīng)切斷電子傳輸，對(duì)從源頭降低熱失控觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、提高電池本征安全性具有重要意義。目前已有的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了上述熱失控防控技術(shù)具有較高可行性，但由于電池?zé)崾Э赜绊懸蛩乇姸?，在?shí)際電池體系中的應(yīng)用仍須進(jìn)一步驗(yàn)證。

電池模組層面的擴(kuò)展模擬模型與防控技術(shù)，涉及電池單體間的傳熱、對(duì)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(duì)相鄰電池單體的加熱作用，同時(shí)須結(jié)合電池密度、比熱容等熱物性參數(shù)變化，建立電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)展模型，圖7 為熱失控?cái)U(kuò)展溫度場(chǎng)仿真結(jié)果。目前文獻(xiàn)中的熱失控蔓延模型主要分為集總參數(shù)模型[110]、二維模型[111]、三維模型[112]，模型維度越高其準(zhǔn)確性越高，可用信息越多，但是計(jì)算復(fù)雜度也越高。熱失控的擴(kuò)展過(guò)程影響因素很多，包括電池?zé)崾Э靥卣鳒囟?、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(duì)熱失控?cái)U(kuò)展過(guò)程的影響程度，可為熱失控?cái)U(kuò)展防控技術(shù)提供依據(jù)，對(duì)綜合考慮成組效率、成本和復(fù)雜度的動(dòng)力電池系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

圖7 電池模組熱失控?cái)U(kuò)展溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)按照冷卻介質(zhì)分為空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻。相關(guān)研究表明，空氣冷卻難以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱失控?cái)U(kuò)展過(guò)程的抑制?；谝豪浞绞?，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(kuò)展過(guò)程，但目前的研究都沒(méi)有討論對(duì)成組效率的影響，也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，仍須進(jìn)一步的研究。相變冷卻技術(shù)方面，目前已有較多基于石蠟復(fù)合相變材料進(jìn)行熱失控?cái)U(kuò)展防控的研究，但主要針對(duì)圓柱形電池，由于其導(dǎo)熱性較差，對(duì)大容量方形電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)展防控的適用性仍須進(jìn)一步研究；熱管的導(dǎo)熱性高，在熱失控?cái)U(kuò)展防控方面具有較大潛力，但目前仍缺乏基于熱管的電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)展防控技術(shù)的研究。

3.2 被動(dòng)安全防護(hù)到主動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與維護(hù)

動(dòng)力電池的被動(dòng)安全設(shè)計(jì)可為電池過(guò)充、內(nèi)短路和內(nèi)部壓力過(guò)大引起高溫時(shí)提供必要的安全防護(hù)以減少故障損失，卻不能有效避免電池安全事故達(dá)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(tǒng)研究動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱失控預(yù)警與防護(hù)控制、熱失控后的延緩擴(kuò)散控制，開(kāi)發(fā)主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)被動(dòng)防護(hù)到主動(dòng)控制，為當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)高安全性動(dòng)力電池系統(tǒng)的重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)其安全性取決于動(dòng)力電池單體、電池箱和電池管理系統(tǒng)三者之間的合理組合，因此實(shí)現(xiàn)主動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提高電池系統(tǒng)的安全性，要通過(guò)保證以上三者的性能最優(yōu)。

鋰離子動(dòng)力電池具有時(shí)變、非線性、非均一特征，電池過(guò)熱、過(guò)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(fā)條件，其熱失控行為呈現(xiàn)出多學(xué)科領(lǐng)域、多物理場(chǎng)的耦合關(guān)系，同時(shí)又受外部環(huán)境的熱擾動(dòng)等因素影響，導(dǎo)致鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控的擴(kuò)展特性在路徑、動(dòng)力、速率等方面存在顯著差異，甚至引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因此研究熱失控鏈?zhǔn)綌U(kuò)展過(guò)程中鏈間主要觸發(fā)模式，闡明電池單體間熱、電的作用和反作用機(jī)制，探究熱量傳播路徑及其傳熱能力占比關(guān)系，建立多物理場(chǎng)的熱失控?cái)U(kuò)展耦合數(shù)學(xué)模型，為揭示鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱失控?cái)U(kuò)展規(guī)律提供理論指導(dǎo)，且對(duì)鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э匦袨榈母咝?zhǔn)確預(yù)測(cè)提供強(qiáng)有力的理論支撐。

鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)由成百上千個(gè)單體電池構(gòu)成，該系統(tǒng)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(tǒng)的安全應(yīng)用更為復(fù)雜，電池系統(tǒng)的環(huán)境條件、熱失控觸發(fā)方式與加載狀態(tài)、電池成組連接方式、電池?zé)峁芾硇问降纫蛩刂苯佑绊戨姵匚磥?lái)熱失控?cái)U(kuò)展過(guò)程。從系統(tǒng)視角考慮安全故障問(wèn)題，設(shè)計(jì)安全可靠的電池組連接方式，對(duì)于失效電池要及時(shí)有效隔離阻止熱擴(kuò)散，對(duì)于正常運(yùn)行電池系統(tǒng)防止超負(fù)荷工作；優(yōu)化電池箱內(nèi)排氣孔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)氣體的快速釋放確定定向通風(fēng)和自適應(yīng)氣體釋放量的氣孔；在電池箱內(nèi)合理布置溫度傳感器，對(duì)高溫電池初步篩查預(yù)警。

為了提高動(dòng)力電池抗熱失控風(fēng)險(xiǎn)的能力，研究熱失控早期預(yù)警機(jī)制并引入電池管理系統(tǒng)(BMS)，是提升鋰離子動(dòng)力電池安全性的重要手段[114]。目前的熱失控早期預(yù)警方法分為基于電池電壓、電流、溫度等外部參數(shù)的熱失控預(yù)警技術(shù)和基于內(nèi)部狀態(tài)預(yù)測(cè)的熱失控預(yù)警技術(shù)和基于氣體檢測(cè)的預(yù)警技術(shù)。由于缺乏對(duì)電池系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的準(zhǔn)確模擬，基于外部參數(shù)的熱失控預(yù)警技術(shù)難以全面評(píng)估電池單體潛在熱失控風(fēng)險(xiǎn)，故障預(yù)警時(shí)間較短。因此，有學(xué)者提出利用嵌入式可折疊布拉格光纖傳感器監(jiān)測(cè)內(nèi)部溫度[115－116]，或采用阻抗相移快速監(jiān)測(cè)法[117]的基于電池內(nèi)部狀態(tài)的熱失控預(yù)警方法。在熱失控早期，電池內(nèi)部副反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，而溫度、電壓等特征參數(shù)變化仍不明顯，因此有學(xué)者提出基于氣體檢測(cè)裝置的電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警技術(shù)[118]，基于電池內(nèi)部狀態(tài)預(yù)測(cè)及氣體檢測(cè)的電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警技術(shù)在理論上能夠提高熱失控早期預(yù)警效果，但需要在電池系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造，在電池系統(tǒng)上的實(shí)際應(yīng)用還須不斷探索。

鋰離子動(dòng)力電池在使用過(guò)程中會(huì)不斷發(fā)生容量衰減、內(nèi)阻增大等性能衰退，其安全性能(耐熱、耐過(guò)充性能等)也會(huì)隨之變化，單體間不一致性的增加也會(huì)降低電池系統(tǒng)的可靠性[119]。電池在觸發(fā)熱失控之前可能會(huì)經(jīng)歷安全性不斷降低的“演化”過(guò)程。鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)部狀態(tài)與電池故障安全密切相關(guān)，通過(guò)監(jiān)控動(dòng)力電池的端電壓、表面溫度可判斷電池的安全狀態(tài)，獲取電池內(nèi)部狀態(tài)如荷電狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)、功率狀態(tài)(SOP)以及剩余使用壽命(RUL)，可以主動(dòng)預(yù)測(cè)電池故障概率，計(jì)算鋰離子動(dòng)力電池安全狀態(tài)(SOS)。然而可在線實(shí)用的狀態(tài)估計(jì)參數(shù)，不僅要求精確可靠的電池模型而且復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程對(duì)硬件提出較高要求，因此準(zhǔn)確在線掌握電池內(nèi)部狀態(tài)需要將理論與實(shí)際工程結(jié)合。

在基于大數(shù)據(jù)的動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控潛在故障預(yù)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)初步開(kāi)展了基于大數(shù)據(jù)的動(dòng)力電池故障挖掘和潛在故障分析。北京理工大學(xué)基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)和熵值方法提出了新能源汽車電池系統(tǒng)的安全預(yù)警方案，實(shí)現(xiàn)了溫度故障及其導(dǎo)致的熱失控診斷和預(yù)測(cè)[120－121]；提出了基于多層次篩選算法的動(dòng)力電池單體電壓故障離群點(diǎn)識(shí)別方法[122]，并進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，對(duì)之后開(kāi)展大數(shù)據(jù)技術(shù)動(dòng)力電池系統(tǒng)潛在故障分析的研究提供指導(dǎo)。融合大數(shù)據(jù)分析、人工智能算法構(gòu)建動(dòng)力電池?zé)崾Э貪撛诠收吓卸ê皖A(yù)測(cè)方法，不僅提供先進(jìn)的理論和關(guān)鍵技術(shù)，還可為全面提升我國(guó)新能源汽車運(yùn)行安全水平、引領(lǐng)世界新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1) 簡(jiǎn)述了動(dòng)力電池系統(tǒng)安全的分類，重點(diǎn)闡述了動(dòng)力電池安全狀態(tài)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(tǒng)安全框架。

(2) 從安全機(jī)理、控制機(jī)制和防控結(jié)構(gòu)3 個(gè)方面，詳細(xì)綜述了當(dāng)前對(duì)電池安全管理的成果以及研究思路，將現(xiàn)有安全設(shè)計(jì)歸納為材料層面、單體層面和系統(tǒng)層面。

(3)針對(duì)當(dāng)前電池安全研究的不足，從電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同層面，提出從機(jī)理分析到系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從被動(dòng)安全防護(hù)到主動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的技術(shù)趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

(4)提出動(dòng)力電池安全防控技術(shù)與其他功能存在一定沖突，例如電池間隔熱的方法會(huì)加劇電池組內(nèi)部溫度不均，與溫度一致性的設(shè)計(jì)目標(biāo)相矛盾；隔熱、排氣、滅火等裝置的增加都會(huì)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(biāo)、安全性和設(shè)計(jì)成本等因素，進(jìn)行電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化仍是動(dòng)力電池待解決的難題之一。