一文读懂！新能源电池系统热安全设计

本文主要从热安全设计的重要性、市场热安全问题、电池系统热安全设计解决方案、热失控预警策略等四个方面来分析，以期望在动力电池热安全设计中采取相应的防护措施时起到参考作用。

热安全设计的重要性

随着电动汽车的存量增加，电动汽车安全事故明显增多，成为关注热点；根据不完全统计，2020年全年仅公开报道的电动汽车起火事故就有124起，事故数量明显多于2019年。这些发生的安全事故中，动力电池热失控引起的事故占比最大。动力电池热失控安全技术研究引起国内外学者广泛重视。

动力电池的工作过程是一个复杂的电化学反应过程，在高温、高压、高电流、大电流等复杂的环境下，会出现电化学化学反应不完全，造成局部过热而引发热失控。电池发生热失控后，如果不及时进行有效的控制措施，其内部反应生成的物质会进一步蔓延，最终引发爆炸，造成人员伤亡。因此研究电池在热失控过程中的产热机理、控制策略对于预防和减少电动汽车火灾事故具有重要意义。

热失控及传播原理

动力电池热失控可由单体内部因素及外部因素引起。内部因素一般为过充、低温充电、负极缺陷等导致负极形成的化合物穿透隔膜引发短路，或电池内部杂质刺穿隔膜引发短路等；外部因素包括正负极短路，大电流放电，高温，挤压、针刺等。由于单体内部或外部因素的发生，电池单体温度持续升高；以锂离子电池为例，单体高于60℃时，SEI膜开始分解，全部分解后露出负极表面；随着电池温度的提升，电池隔膜高温收缩，正负极活性物质接触，发生短路，瞬间释放出大量的热量。短路点高温进一步导致正极氧化物分解，释放出游离状态氧，并与有机电解液发生氧化反应，释放出更多的热量，最终导致电池发生起火爆炸。

在锂离子电池发生内部短路时，巨大的焦耳热使稳定性较低的SEI膜分解，初始温度在80～120℃之间，其反应方程式为：

（CH2OCO2Li）2→Li2CO3+C2H4+CO2+0.5O2

2Li+（CH2OCO2Li）2→2Li2CO3+C2H4

当SEI膜分解后，负极活性物质失去保护，其中的嵌入锂会与电解液接触发生放热反应，同时会再次生成较为稀疏的SEI膜，但对整体反应没有影响。此时的反应温度在120～250℃之间，其反应方程式为：

2Li2+C3H4O3→Li2CO3+C2H4

2Li+C5H10O3→Li2CO3+C2H4+C2H6

2Li+C3H16O3→Li2CO3+C2H6

2Li+C4H6O3→Li2CO3+C3H6

在负极与电解液的持续放热反应下，电池中的隔膜会收缩、熔断，正负极活性物质接触发生局部短路产生更多的热量，使隔膜进一步崩塌。随后正极材料开始分解，生成的氧气与电解液发生剧烈反应，同时伴随着电解液、粘结剂、外壳包装的反应，温升速率急剧上升，进入热失控状态。

综上所述，电池在针刺的作用下短时间发生剧烈的内部短路，当电池壳体无法承受气体与热量带来的压力时，内部的化学物质会瞬间喷射，导致冒烟、起火，甚至爆炸。

电池系统热安全设计

热安全设计开发主要分为以下五个维度，分别为：电芯选型、模组设计、电池系统热安全设计、热失控预警、主动降温；

电芯设计及选型

电芯选型：高热稳定性、壳体强度提升、喷阀压力降低、绝缘提升

电芯安全测试项

电芯设计是电池设计系统的核心，只有科学严谨的设计电芯，才能在后期的应用过程中少产生问题和故障。电芯设计的要点也很多，只有多方面平衡设计，才能达到理想的预期效果。

图1 电池封装形式

常见的电芯制作工艺为叠片和卷绕。叠片式就是按照层叠的方式进行压制，而卷绕也可以简单理解为一层层的外面绕制。

两者的工艺简单对比主要如下图：

而在设计过程中，需要使用的技术包括的更多：动力学模拟仿真设计、材料开发、电芯设计、模拟仿真、安全考虑、可靠性设计、寿命设计、电芯测试、设备制程和工艺等。

模组设计

主要是把单体的实际情况与Pack的需求衔接起来，在这里面主要包含：结构设计需求、热设计需求、电气设计需求、安全设计；

模组的主要组成

结构设计要求 结构可靠：抗震动 抗疲劳、工艺可控：无过焊、虚焊，确保电芯100%无损伤

热设计  软包电芯的物理结构决定了其不易爆炸，一般只有外壳能承受的压力足够高，才有可能炸，而软包电芯内部压力一大，便会从铝塑膜边缘开始泄压、漏液。同时软包电芯也是几种电芯结构中，散热最好的。

电气设计 低压设计，通过信号采集线束，将电池电压、温度信息采集到模组从控板或者安装在模组上的所谓模组控制器上；高压设计，主要是电芯与电芯之间的串并联，以及模组外部，设计模组与模组之间的连接导电方式，一般模组之间只是考虑串联方式。

安全设计 安全设计，可以分为3个倒退的要求：良好的设计，确保不要发生事故;如果不行，发生事故了，最好能提前预警，给人以反映时间;故障已经发生，则设计的目标就变成阻止事故过快蔓延。

电池系统热安全设计

基于pack热蔓延失效原因进行电芯因子分析

典型热失控试验

电池包拆解

热失控报警策略

我们将预警分为车端和云端，车端是和整车TMS或VC提到一个要求，不管是电池包里因温度信号、压力信号还是烟雾信号，再结合电压、温度等最终导致微生物暴走的组合策略，然后把信号传递给VCU或传递给TMS，最后整车热管理去响应，达到极速冷却的一个过程。要在新能源车冷却液的量足够的情况下，另外冷却开启时间也需要关注。

车端整车过热响应流程

某项目整车热管理系统原理图

结语

电池单体热失控研究取得很大进展，但国内外仍时有安全事故发生。电池系统成组技术在其中的作用仍需进行深入研究及实践验证。产品开发过程中，需通过热失控安全试验对安全性能进行验证，确认热失控安全设计的效果。