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新能源汽车动力电池安全管理技术挑战与发展趋势分析

2021-03-02 23:31:26·  来源：Battery Insight view  作者：battery 风清扬  
　
点击蓝字丨关注我们 前言 新能源汽车是我国战略新型产业之一，在促进可再生能源应用和提高电气化交通运输发展占重要地位 。面对汽车电动化时代的到来，如何保证“安全”，成为主要关注的话题，动力电池作为新能源汽车核心部件，其安全状态的精准估计和安全结
新能源汽车是我国战略新型产业之一，在促进可再生能源应用和提高电气化交通运输发展占重要地位 。面对汽车电动化时代的到来，如何保证“安全”，成为主要关注的话题，动力电池作为新能源汽车核心部件，其安全状态的精准估计和安全结 构防护需求日益凸显 ，因此，准确估计和预测动力电池的安全状态，提升新能源汽车的耐久性、安全性、可靠性，对其进行全面高效的管理变得非常重要。
 
当前研究在动力电池系统热扩展物理机制和动力电池安全性、耐久性、一致性，以及安全电池系统设计等方面取得了阶段性进展，国内外学者对动力电池安全机理分析和故障诊断的研究取得了丰硕的成果 。但在锂离子动力电池与系统热失控触发机理、安全性与耐久性和一致性之间的耦合机制与演化规律和高安全性锂离子动力电池系统设计等方面尚未构建完善的理论体系。

本文中综述动力电池安全管理技术的研究现状，首先从动力电池安全的概念出发分别介绍了动力电池安全状态 (SOS)、热管理和热失控等研究热点，着重阐述了动力电池安全管理的研究现状，从动力电池安全机理、安全控制机制和安全防护结构等方面进行了全面剖析;针对当前动力电池安全管理技术在新能源汽车中的实际应用，从机理分析到系统设计优化和被动安全防护到主动风险预测与维护两个方面，对动力电池安全管理技术发展趋势进行了分析;最后对以上动力电池安全管理技术的主要内容进行了全面总结。

1动力电池安全的基本概念

1.1动力电池安全状态(SOS)
通常动力电池的运行伴随着电池端电压、表面温度分布不均匀、局部温度过高等问题，严重影响其性能、寿命和安全 。国内外相关研究学者，从电池的材料选取、建模和状态估计等方面进行探究以保证其使用安全性，目前电池安全的研究主要 集中于找出电池使用的安全区域，在该区域内对电池实际安全情况划分等级，如表 1所示。对于新能源汽车而言，其动力电池的安全性与实际运行里程有密切联系，因此提出了基于行驶里程统计的安全分析方法，该统计表明，随着运行里程的增加，动力电池出现安全故障的概率增大，将电池安全划分为 10个不同的等级，如表2所示。
动力电池安全状态方法与通过动力电池外特性参数如电压和温度直接快速反映电池安全情况不同，它通过预估电池内部状态，间接分析和预测电池安全故障的风险，该方法的主要思想是监测动力电池是否运行在安全区域内 ，事实上，对于电池安全状态的主要问题是确定电池运行中不安全区域的边界，因此电池的安全状态应该与电池的滥用程度成反比，具体如式(1)所 示 。
式中 x代表所有的预测状态和电池的外部测量参 数，包括电池的电压、充放电电流、温度和各种内部状态。由式 (1)可知，电池的安全状态值( f safety )随着电池劣化程度( fabuse )的增加而下降，其具体映射关系与电池类型相关可定义为指数函数、多项式函数或对数函数等。动力电池安全状态与外特性参数之间的基本关系如图1所示，其中SOS即为式(1)中 的 f safety 。电池安全状态与汽车的安全高效运行直接相关，其状态数值与电池各特征参数之间的关系较为复杂，目前关于该问题尚未具体的定量分析，因此进一步深入研究电池安全状态对完善电池安全管理具有重要意义。
1.2电池热管理系统
国内外研究人员针对电池单体和动力电池系统提出了不同精度和复杂度的电池热模型，根据建模思路不同主要可分为分布式电化学热模型和集总参数模型。其中分布式电化学热模型通过产热、热累积、对流和传导理论构建偏微分方程描述电池热动态行为 。该模型精度较高，但也比较复杂，通常需要使用有限元方法进行模拟，此外它涉及的电池化学和物理参数难以获取，并在线应用到动力电池热管理和故障诊断中。为了降低该类模型的复杂度，Gerver等提出一种空间缩减的锂离子电池热模型，Richardson等和Kim 等 进一步提出简化的状态空间表达式，构建简化的电池分布式参数热模型。
为了实现热模型的在线辨识和应用，研究人员提出简化的电池集总参数热模型。 Lin等提出了基于等效热阻的2阶状态空间热模型，其状态方程见式(2)和式(3)，将电池内部与电池表面、电池表面与环境的传热过程分别模拟为等效热阻Rc和Ru，如图2(a)所示，内部产热仅考虑电池内阻产生的热量，并利用自适应卡尔曼滤波估计电池内部温度。Dey等基于该模型提出电池热故障实时诊断方法。Sun等通过考虑电池内部熵值变化产生的热量，改进了该热模型并应用到方形电池上。Dai等考虑了模型参数的时变性，利用联合卡尔曼滤波方法对电池内部温度和模型参数进行联合估计，提高内部温度估计的精度和鲁棒性。然而上述研究没有考虑到电池热行为和电行为的相互作用，例如电池温度升高会使内阻下降进而导致总产热量降低。Zhang等建立了方形电池的热电耦合模型，利用扩展卡尔曼滤波实现对方形电池内部温度的准确估计。针对动力电池组，Debert等考虑电池表面、热传感器、模组外壳和冷却气流的温度，建立基于等效热阻的电池模块热流平衡方程，实现电池单体温度和内阻的估计。
电池热管理系统 (BTMS)最重要的功能是在高充放电倍率和极端外部环境条件下，在电池单体、模组和电池包内保持最佳的工作温度范围和均匀的温度分布。有效的动力电池热管理系统对于阻断或延缓电池热失控事故在单体间的扩展至关重要，电池热管理系统可分为被动冷却和主动冷却，或按照冷却介质分为空气冷却、液体冷却、相变材料(PCM)冷却和热管冷却等类型。其中空气冷却是电池热管理系统最常用的方式，但由于导热系数的限制，无论是被动空气冷却还是主动空气冷却都不能有效阻断或延缓热失控的扩展。液体冷 却技 术与空气冷却相比具有更好的散热效果，但仍然不能有效延缓热失控扩展，并且需要电池供电才能运行，还有存在液体泄漏的风险。为解决上述空气冷却和液体冷却的弊端，研究人员提出基于相变材料或热管的相变冷却技术，这两种冷却技术能分别利用存储在固液相变和液汽相变阶段的潜热，从而提高散热效率和动力电池系统热安全性;此外相变冷却技术还具有低功耗、低成本和结构简单的优点，具有较大应用潜力。
相变材料可在融化 /固化过程中吸收/释放大量 的潜热，从而在电池正常运行或滥用条件下快速吸收热量，保持电池系统中的温度分布均匀性，并且在单个电池单体发生热失控而迅速升温时，防止电池升温到热失控临界温度，从而阻断或延缓热失控触发和扩展过程 ;而正常情况下，相变材料存储的热量通过自然对流或与一个小型主动冷却系统耦合传递到环境中。Khateeb等的研究结果表明，与自然对流冷却相比，基于相变材料的冷却系统可使电池模块温度降低50%。然而，由于传统相变材料导热系数较低，其冷却效果有限。为了克服这一缺点，提出了各种提高相变材料有效导热系数的方法，通常在相变材料中加入高导热系数的添加剂，如铝丝、泡沫金属、碳纤维和石墨等，构成复合相变材料(PCC)。Zhao等提出一种利用相变 材料替换圆柱电池空心芯棒的电池内部冷却系统，并开展了实验研究验证该系统的冷却效果，结果表明通过高导热系数的相变冷却技术能有效抑制热失控在相邻电池间的扩展。
热管冷却方法可克服这些缺点，热管能在负压密封管内实现低沸点冷却液 (水、醇类或丙酮等)的迅速相变和热量传递，其原理如图3所示。在较小温差下也能利用相变传热在较远距离内快速输送大量热能，且基于热管的BTMS具有导热系数高、结构紧凑、几何形状灵活和使用寿命长等优点，近年来受到广泛关注。Jiang等提出由电池、相变材料和热管组成的夹层结构的电池热管理系统，并建立考虑电池发热、相变材料熔融和热管瞬态热响应耦合的集总参数模型，揭示了不同环境温度、不同热管换热系数、不同相变材料与电池厚度比下电池温度 和相变过程的耦合机理。基于热管的电池冷却系统在热失控扩展的防控方面具有很好的应用前景， Li等将电池内短路模拟热失控模型，与热管冷却的流体体积(VOF)模型进行耦合，在ANSYSFLUENT中求解，计算VOF模型在热失控过程中的传热传质过程和热失控的扩展情况。结果表明，热管冷却不能防止单个电池内短路触发的热失控，但能有效阻断热失控在电池组中的扩展过程。
1.3热失控
从热失控的触发因素分析，动力电池热失控主要源于多滥用场景导致的内短路失效事故。新能源汽车电池系统内短路失效率与其电池系统中电芯数量以及电芯失效率相关，通常单体电芯的故障率为百万分之一，以统计 1万辆特斯拉新能源汽车为例(装配7104个电芯)，电池系统内短路导致新能源汽车发生热失控失效率不到万分之一。
滥用热失控是由电气、热量、机械完整性等滥用情况引发异常的电池老化所致， 3种热失控触发方式如图4所示。由于锂电池完全封闭且内部会产生易燃的氧化剂，如果发生以上滥用情况热量不能及时散发，内部温度激增最终将导致热失控现象。早期研究发现，当电池内部温度达到100℃后，电池内化学反应开始产生易燃气体，当温度进一步升高到430℃后，电解液开始分解并释放氧气，引发电池内部烃类气体燃烧，由于反应不完全，生成物中必定混合着有毒或腐蚀性气体，因此为了保证动力电池的安全使用，动力电池必须经过标准测试(UN38.3，UNR100，SAE-J2464，IEC－62133，GB/T31485)。
动力电池机械滥用主要指通过挤压、碰撞和针 刺等形式造成电池内短路及温度异常的安全问题，锂离子电池在遭受机械滥用后安全性较差，易发生壳体开裂、电解液泄漏，甚至发生内短路及起火爆炸事故。对于机械滥用的研究分为实验和数值仿真两种途径。实验方法依赖于力学实验分析并观察电池在加载过程中的现象，以及载荷、电压、温度等的变化情况;数值仿真则是利用不同的电化学及物理基础建立高精度的锂离子电池模型，通过辨识电池模型的材料参数，表征其在机械载荷作用下的力学行为，通过有限元仿真的手段来预测电池在载荷作用下发生破坏的情况，评估电池失效行为。
对于动力电池的电气滥用，主要研究外部短路和过充过放电等故障问题 ，当电池浸水、错误连接和器件失效后会发生外短路故障。由于该故障不会将热量释放在电池内部，因此降低了起火爆炸概率。同样当电池发生过放行为电池内部能量较低，从而降低了电池故障的危害。然而，当电池发生过充电时，由于电池内部能量聚集且外界能量持续输入，导致电池内部温度压力急剧升高，极易造成电池起火爆炸故障。另外，动力电池热滥用主要是由于
电池在极端温度下进行工作，热量不能及时散发所致，通常由于电池温度管理系统失效等故障所引发 。
热滥用是触发锂离子电池热失控的直接原因之 一，当电池产热速率大于散热速率，温度不断升高，会引发锂离子电池热失控链式反应，最终导致热失控的发生。除了机械滥用和电气滥用导致的过热以外，还可能由于连接松动接触电阻增大导致局部过热，此外电池单体内阻不一致和散热条件不同也会造成热不一致性。Zheng等报道了由于制造缺陷的连接松动，局部接触电阻过大引发热失控。Wang等考虑到汽车实际运行工况，提出基于香农熵的电池连接松动诊断方法。以上两种方法均可实现提前电池故障诊断，对于防止电 池出现滥用现 象具有重要作用。

2动力电池安全研究关键技术

2.1热失控机理
动力电池在机械损害、电滥用和极端应用环境等条件下的事故最终均以热失控的形式体现。单体热安全与其内部的电化学体系类型、材料构成、结构形式、封装形式、容量、结构、外形、尺寸形式以及工艺状况等直接相关，以磷酸铁锂和三元材料体系锂离子动力电池为研究对象，对锂离子动力电池正负极、电解液和隔膜等关键材料在热失控不同阶段发生的副反应和产物进行了系统分析 。基于电极过程动力学原理，探究锂离子动力电池内部电极材料在出现机(针刺、挤压等)－电(过充、短路等)－热(加热、火烧等)滥用状况下的物理结构演变和化学反 应，将动力电池热失控机理总结为隔膜刺穿、正极析释活性氧、负极析活性锂，最终导致内短路触发热失控，本节从以上 3种机理分别进行综述。

动力电池常用的隔膜 PE和PP均为聚乙烯材料，当温度升高达到其熔点后隔膜将吸热收缩，该过程将减缓电池温升速度，伴随着隔膜的收缩，其表面孔径减少甚至完全闭合，导致电池内部锂离子无法转移，表现为电池内阻急剧增加，在有电流流过时电池出现异常发热，继而加速隔膜熔化造成恶性链式反应。另外，随着隔膜收缩面积减小，电池内部正负极将失去隔离而导通触发电池内短路故障，当温度持续升高隔膜蒸发，电池内短路将产生大量的热，导致电池热失控发生，因此有必要研制耐高温隔膜，以阻止因温度升高导 致隔板坍缩。

动力电池普遍采用的正极材料为 LCO、LFP和NCM等，有学者对正极材料的热稳定性进行排序，其中LFP在高温下表现最稳定，LCO热稳定性较差。Mendoza－Hernandez等研究了正极材料分别为LiCoO 2 和LiMn 2 O 4 的18650电池在不同充电状态下的热失控行为，结果显示LiMn 2 O 4 的热稳定性要优于LiCoO。Arai等通过实验测试分析Li 0.5 CoO 2 分解的初始温度在200℃附近。刘恒伟和Feng等研究了过热温度下镍钴锰三元材料(NCM)电池在热失控前的失效机理、热失控时的温度特征，同时还研究了大尺寸软包动力电池过充电行为。考虑到Co的热稳定性，有研究者尝试用NCM正极材料中的Ni和/或Al替代Co元素，用Zr取代Mn，以提高电池的热稳定性，发现用Al取代可以提高热稳定性，但会降低NCM111阴极的可用容量。Hammami等研究发现锂离子动力电池发生热失控后，电解质会与电极材料发生反应生成剧毒的氟代有机化合物。Eshetu等研究了锂盐(LiPF 6 和LiFSI)的燃烧行为，不同溶剂和溶质组分会影响燃烧行为参数，并且产生刺激性和窒息性气体如HF、SO和CO等。Huang等研究了大型Li(NixCoyMnz)O 2 /Li 4 Ti 5 O 12 电池在不同充电状态下的燃烧特性，在燃烧过程中，正极材料Li(NixCoyMnz)O发生了相变，由层状结构向尖晶石结构转变。以上学者通过材料改性提升电池的性能，同时Feng等给出了电池热失控过程中的温度特 征参数，对阻止和提早监测电池发生热失控有重要 意义。
当电池内部温度高达隔膜熔融，电池表面温度 急剧上升，电池内部会发生负极析锂与电解液反应和正极与电解液反应、电解液自身热分解，这些反应共同作用引发电池热失控。DSC测试结果表明，负极与电解液反应分为3个阶段，根据测试初始SEI的分解被认为第1阶段其温度范围设定在100℃附近，第3阶段设置在250℃左右。有研究发现SEI分解初始的生热速率与石墨化表面积相关。随着温度的升高，负极嵌入锂与电解液发生反应生成SEI，该过程被称作SEI再生反应，在第2阶段SEI的 分解与再生同时存在，因此 SEI的净减少量是生成量与分解量之差。当电池温度超过250℃时，进入第3阶段石墨结构分解，该阶段参与的化学反应较复杂，Same等研究了锂离子动力电池三元材料(NCA)的变化，原位检测了沉积在石墨电极表 面的固体材料，并分析了各元素含量。 Chen等实验测试多种负极石墨材料，认为第3阶段的反应峰代表阳极处的反应。

国内外学者围绕锂离子动力电池热失控过程的内外部特性参数变化规律和热失控影响因素开展了大量研究。 Wang等对前期锂离子动力电池安全风险因素、热失控理论、基础反应、热力学模型以及相关的模拟和实验结果进行了总结。Jhu等对钴酸锂18650电池的爆炸过程进行了研究，建立了动力电池热失控演变过程数学模型，阐明了热失控过程中锂离子动力电池内外部温度、电压和内部压力等特性参数的变化规律。Fu等通过对18650电池热失控过程考察，分析了其物质流失速率、起火爆炸时间、热释放速率、表面温度 和产气组分，该研究发现不同荷电状态 (SOC)和热通量会对着火和爆炸时间产生影响，对动力电池多因素影响下热失控研究具有指导价值。

2.2热失控扩展机理
电池单体触发热失控后在短时间内释放大量热量，电池温度急剧升高，通过固体传热、对流、热辐射等传热方式传递热量给相邻单体，同时从阀门或破裂的电池壳体喷出大量的气体及颗粒物也将大量热量传递到其他电池单体。相邻电池单体的温度升高达到热失控触发温度将会发生热失控，即热失控在电池模组或电池包中不断扩展。
研究人员从锂离子动力电池热失控机理及动态 系统理论出发，研究了锂离子动力电池热失控过程热量的扩展路径与特性、电池模块发热量、热容量和各部件之间热传递速率，以及热失控触发的热量传递、质量传递和动量传递过程。Feng等对方壳型三元锂离子电池串联模组进行针刺触发热失控实验，对热失控扩展机理及特性进行了分析。Lamb等利用10节2.2A·h的18650电池简易串并联模组完成了针刺触发热失控扩展实验，发现并联模块比串联模块更容易发生热失控扩展，Gao等开展的 研究也得到同样的结论，该研究对于动力电池 的成组方式有重要参考价值。主要原因是并联模组中热失控单体发生短路，其他单体向其放电导致热失控单体温度升高更快，释放更多热量，促进了热失控的扩展。胡棋威等的研究表明，在封闭体系中热失控扩展比在开放环境下更容易，主要是因为封闭体系中热失控单体喷出的气体和火焰会加热周围单体，导致周围单体升温更快。上述研究表明传热、电连接和热失控单体喷出物是引发热失控扩展的几 个直接因素，且不同电池类型、成组方式、模组环境条件下，影响热失控扩展的主导因素不同。

在大容量锂离子电池热失控扩展方面， Huang等利用C80量热计实测数据，分析了50A·h的Li(Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 )O 2 /Li 4 Ti 5 O 12 锂离子电池模组热失控火焰传播特性，对热失控扩展的临界温度进行了数值仿真，并对比了电池单体采用菱形和平行两种不同排列方式下的热失控扩展过程。Li等开展了5个38A·h锂离子电池模组的热失控扩展实验，并采用扩展体积加速量热仪(EV－ARC)研究了SOC对热失控扩展的影响，结果表明在100% 和 50%的SOC状态下，热失控在相邻电池之间的平均传播时间分别为87和307s，且热失控电池燃烧剧烈程度较低，伴随大量烟雾产生。

2.3热失控阻断方式
锂离子电池由于组成材料的特殊性和独特的密 封结构导致在运行过程中不可避免存在安全隐患，从电池单体层面来说，隔膜以及负极电解液均为易燃材料，在高温下电池内部压力升高增加漏液和燃烧和爆炸的风险;从电池组层面来说，成百上千电池单体的串并联成组，在封闭的空间内紧凑排列，增加了电池组运行的安全风险。就目前电池研究水平来看，动力锂离子电池的安全隐患无法从根本上解决。

为了保证动力电池在安全有效的区域内运行， 研究人员从材料、电化学等理论方向出发，研究锂离子动力电池系统热失控特征参数的演变规律，Jo等提出一种热稳定性高的NCA正极材料，通过实验测试该材料充电到4.5V比Li［Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 ］O 2 (充电到4.5V)具有更好的热稳定性。Lu等的研究发现对于Li［NixCo 1－2x Mn x ］O2 材料，x=1/4和x=3/8时材料热稳定性较好。当电池正极材料被氧化物包覆降低与电 解液接触时，可抑制副反应和热 效应，提高正极材料的使用安全性。目前通过在电解液中添加不同材料的阻燃剂，如有机磷化物和氟化物，可降低电解液在高温下的燃烧性，提高电解液的安全性能。考虑到隔膜在高温下坍缩，提出电压敏感隔膜在充电电压过高时，变为导体吸收能量保护材料，然而当电池过充时产生大量焦耳热，易引发热失控故障。Wang等研究发现，通过正极材料碳化层包覆可显著提高单体电池的热稳定性。Chen等通过将离子液体与具有纳米空洞结构的氧化锆相结合制备出固体电解质，在不 牺牲电解质 离子导电性的前提下显著提高了锂离子电池的热稳定性和安全性。
除了提高电池材料的安全性以外，可在电池内 部建立一种能够在温度过高时及时响应并切断电极反应中的电子或离子传输的温度感应机制，关闭电池反应，以避免其进入自加热的热失控状态。近年来国内外学者基于该思路提出了正温度系数电极、热响应微球修饰隔膜、热聚合添加剂等热失控防范技术。采用正温度系数材料作为电极集流体表面涂层、电极活性涂层的导电剂或电极活性颗粒的表面包覆层，构成正温度系数电极(PTC电极)，当电池温度上升至其阻变温度时，电阻率上升几个数量级，从而有效切断电极集流体与活性涂层、或活性颗粒之 间的电子传输，中断电池反应，避免发生热失控。 Zhong等提出利用聚乙烯－乙酸乙烯酯(EVA)和碳黑的复合材料用作电池PTC涂层，Chen等用石墨烯包覆的针状纳米Ni和聚合物基质复合成厚度仅约15μm的电池PTC材料，具有高的室温电导率(50S/cm)和很好的PTC效应，避免了涂层过厚带来的电池能量密度降低的弊端。

通过在隔膜或电极表面涂覆热敏性微球，使其在一定温度下融化封闭隔膜和电极微孔，或者通过单体、寡聚物的热聚合效应固化电解液，可及时切断电池中的离子传输，避免热失控事故的触发，基于热融化和热聚合的离子传输切断技术原理如图 5所示。Baginska等将石蜡微球和PE微球涂覆与石墨阳极或PP/PE/PP复合隔膜表面制备出具有热封闭功能的电极和隔膜，Jiang等［88］制备出以聚乳酸(PLA)为核、聚丁二酸丁二醇脂(PBS)为壳体的纤维隔膜，提高了热稳定性和热封闭效果;Liu等提出使用一种自封端超支化寡聚物作为Li(Ni 0.4 Co 0.2 Mn 0.4 )O 2 正极材料的表面修饰层，构成具有热关闭功能的正极。

2.4安全防护结构
动力电池安全防护结构不仅提供有效的热失控 阻断手段，而且为阻断热失控扩展争取时间，单体电池防护结构的关键在于安全阀的设计，当电池内部压力异常时，安全阀打开排出内部气体，防止电池形变解体。合理的安全阀通道可有效隔离火焰、高温电解液，避免热失控传播和冲击其他单体。实际应用中电池组的设计要满足密封、防水以及绝热条件，使多数安全事故发生在电池组内，因此对于电池组的安全防护设计要考虑到阻燃、冷却等方面。基于热失控扩展过程的传热路径研究，可在电池单体之间设置隔热层以延缓热失控扩展，有学者提 出 使用环氧树脂板作为隔热层，对热失控扩展进行有 效阻隔 。冷却技术不仅保证电池工作在安全的温度范围内，而且可通过减少电池间的温差提升电池组的一致性。从设计功能角度来讲，冷却技术的评价要考虑冷却效率的高低、冷却温度均匀程度和冷却技术的可靠性;从冷却方式方面划分，主要分为空气冷却、液体冷却和相变材料(PCM)冷却。
空气冷却依赖于外部风扇等设备强制气流按照 设计风道流动以达到冷却目的，该技术在冷却性能及均匀性方面较为有效，是当前车用最成熟、简洁的冷却方式。Saw等利用流体动力学方法分析电池包空冷系统温度场分布，提供了一种简单的电池包内温度估计方法。Xie等认为电池包内温度场分布与进气角、排气角以及电池间气道宽度相关，采用单因素分析和正交试验的方法对3种结构参数进行优化。Lu等研究了冷却通道尺寸和供气策略对电池组热性能的影响，建立了交错排列电池组的三维模型，冷却能量效 率 β的提高对电池水平方向具有明显冷却效果，并利用单通道非规则空气通道的热阻模型对数值方案进行了验证。现有的研究更多地集中在电池的配置和设计/模块安排，以实现减少最高温升的电池组，对于电池包温度模型的研究主要基于复杂的热力学分析，忽略了电池包内电 芯间温差的影响。 Li等全面考虑电池包内温度的影响因素，从空气冷却电池的设计、计算流体动力学代码的建立、实验设计、替代模型的评估和选择等方面，提出了一种综合考虑系统体积和冷却性能的高效风冷系统设计方法。
相对于空冷技术，液体冷却具有较高的传热能 力和较快的热响应，而且适用于夏季降温和冬季预热，有助于促进电池组、电机、功率控制单元、热泵等新能源汽车热管理一体化［99］。然而，由于传统的液体(水或含水乙醇)较低的导热率限制了冷却效率，研究人员通过添加剂或改进冷却液的方式提高冷却效率。Liu等提出了一种新型液态金属冷却剂用于电池组热管理，并通过数学分析和数值模拟，对液态金属冷却系统的冷却能力、泵功耗和模块温度均匀性进行了评价。液冷技术中管道数量、冷却剂流速、管宽和管高是主要研究参 数，为了分析四参数 对液冷电池热管理模型冷却效果的影响，研究人员正交阵设计了16个模型，对模型进行参数化和量化，确定主要和次要因素，结果表明管道数量和冷却剂流速的影响相似，都是主要因素，而管宽和管高的影响相似，都是次要因素。对于优化后的液冷技术设计，合理的温度控制策略可以最大化提升冷却效率，研究人员根据电池使用工况、电池自身特性等多个方面综合设计了不同的温度控制策略。

相变冷却技术是利用储存在固液相变阶段的潜热，对电池产生的余热进行被动管理 ，根据相变材料的不同可分为两类，一类基于石蜡等相变材料的固液相变，另一类基于浸泡式沸腾换热和热管等形式的液汽相变。相对于以上两种冷却技术，相变冷却系统的优点是结构简单、低功耗，但会给整个系统增加额外的质量。因此，该冷却设计首要解决的应用问题是使用最少的PCM实现温度在允许范围内。Wang等设计了一种基于泡沫铜和石蜡复合相变材料(PCM)的新型无源热管理系统(TMS)，采用实验和数值 相结合的方法研究了新型温度管理系统 (TMS)和空气冷却系统(ACS)对电池组的热性能的影响。锂离子电池的性能和安全性很大程度上取决于其工作温度，因此控制电池在适当的范围至关重要，以上研究成果通过冷却技术研究试图控制电池温度属于被动安全防护，该温度控制方式缺失对温度的预判预处理能力。

相变材料冷却与风冷、水冷相比在对热失控扩展防控方面具有一定优势。 Rao等针对方形电 池提出了相变材料冷却与微通道液冷耦合的动力电池热管理系统，建立三维热模型并基于数值模拟方法研究了液体流量、相变温度及热导率等因素对冷却性能的影响。热管利用多孔结构对液体的毛细作用，在负压密封管内实现低沸点冷却液 (水、醇类或丙酮等)的迅速相变和热量传递，从而体现超高的导热特性。此外，Li等学者提出用铝箔等金属片作为电池组散热器，并对其进行几何优化以提高导热效率，以上研究对于抑制热失控在电池组中的扩展过程具有重要作用。

3动力电池安全管理发展趋势

动力电池作为能量载体，随能量密度的提高其安全隐患越发突出，因此防止动力电池系统热安全事故发生、阻断或延缓热失控扩展研究工作尤为重要。对于当前动力电池安全管理要以热失控前预报警、热失控中延缓扩展和蔓延、热失控后减小损失为目标，在动力电池热失控机理研究的基础上开展动力电池安全指标体系、安全性的防护控制策略、机－ 电－热滥用防护方法等理论研究，以及高安全性动力电池的材料设计、内部结构设计、成组方式设计、电池箱结构设计等工程设计方法研究是及时发现热失控隐患、阻断或延缓热失控扩展的有效途径。动力电池安全管理发展趋势如 图 6所示。
3.1机理分析到系统设计优化
在热失控触发及扩展机理分析的基础上建立电池热安全模型，从材料、单体、系统多尺度开展系统优化设计研究，能有效降低动力电池热失控风险或及时阻断、延缓热失控在电池组中的扩展，因此将动力电池系统优化设计技术趋势归纳为电池系统建模及防控技术研究。

电池单体热安全模型可分为化学反应动力学模型、单体热失控集总参数模型和单体热失控三维模型。热失控反应动力学模型主要考虑电极材料及电解液分解、 SEI膜分解与重生、电极材料与电解液之间的副反应等，对电池材料的不同组合方式开展DSC测试，标定不同材料组合各副反应的化学反应动力学参数，结合质量守恒方程、能量守恒方程和阿伦尼乌兹公式等，建立描述热失控温度变化规律的数学模型。单体电池热失控集总参数模型可实现电池热失控过程的温度、压力和喷阀预测，三维模型还可预测热失控在单体内部的蔓延及温度场演变过程。

在单体层面进行电池热失控的防控，一方面可 提高电池材料热稳定性，另一方面可利用电流断路器、正温度系数电阻、泄压阀等安全器件实现。通过对锂离子动力电池材料的改性、筛选和匹配性研究，例如通过电极材料表面改性抑制晶格失氧、电解质固态化以降低可燃性等手段可提高电池材料的热稳定性与安全性，是从源头降低热失控风险的重要手段。此外，在电池内部建立一种能在温度过高时及时响应并切断电子或离子传输、关闭电池反应的温度感应机制，可有效防控热失控的触发。

从材料体系和电池单体的角度出发，基于材料热相变行为切断离子传输以及基于 PTC材料正温度系数效应切断电子传输，对从源头降低热失控触发风险、提高电池本征安全性具有重要意义。目前已有的一些实验结果证实了上述热失控防控技术具有较高可行性，但由于电池热失控影响因素众多，在实际电池体系中的应用仍须进一步验证。
电池模组层面的扩展模拟模型与防控技术，涉及电池单体间的传热、对流、辐射等传热路径，以及热失控单体喷出的高温气体和颗粒物对相邻电池单体的加热作用，同时须结合电池密度、比热容等热物性参数变化，建立电池热失控扩展模型，图 7为热失控扩展温度场仿真结果。目前文献中的热失控蔓延模型主要分为集总参数模型、二维模型、三维模型，模型维度越高其准确性越高，可用信息越多，但是计算复杂度也越高。热失控的扩展过程影响因素很多，包括电池热失控特征温度、能量释放速率、电池间的传热特性、单体间的电连接等， 量化各因素对热失控扩展过程的影响程度，可为热失控扩展防控技术提供依据，对综合考虑成组效率、成本和复杂度的动力电池系统优化设计具有重要意义。
电池热管理系统按照冷却介质分为空气冷却、液体冷却和相变冷却。相关研究表明，空气冷却难 以实现对热失控扩展过程的抑制。基于液冷方式，使用水性PAAS(聚丙烯酸钠)水凝胶和微通道液冷可有效抑制热失控在电池间的扩展过程，但目前的研究都没有讨论对成组效率的影响，也没有实现最优化设计，仍须进一步的研究。相变冷却技术方面，目前已有较多基于石蜡复合相变材料进行热失控扩展防控的研究，但主要针对圆柱形电池，由于其导热性较差，对大容量方形电池热失控扩展防控的适用性仍须进一步研究;热管的导 热性高，在热失控扩展防控方面具有较大潜力，但目前仍缺乏 基于热管的电池热失控扩展防控技术的研究。

3.2被动安全防护到主动风险预测与维护
动力电池的被动安全设计可为电池过充、内短路和内部压力过大引起高温时提供必要的安全防护以减少故障损失，却不能有效避免电池安全事故达到防患于未然的目的。分析电池安全故障的特性与影响因素，综合电池故障前异常特征，系统研究动力电池系统的热失控预警与防护控制、热失控后的延缓扩散控制，开发主动安全防护系统转被动防护到主动控制，为当前研究开发高安全性动力电池系统的重点内容，对于动力电池系统其安全性取决于动力电池单体、电池箱和电池管理系统三者之间的合理组合，因此实现主动风险预测提高电池系统的安全性，要通过保证以上三者的性能最优。

锂离子动力电池具有时变、非线性、非均一特征，电池过热、过充电、外界撞击、挤压、穿刺、电池短路等都可成为热失控的触发条件，其热失控行为呈现出多学科领域、多物理场的耦合关系，同时又受外部环境的热扰动等因素影响，导致锂离子动力电池系统热失控的扩展特性在路径、动力、速率等方面存在显著差异，甚至引发链式反应，因此研究热失控链式扩展过程中链间主要触发模式，阐明电池单体间热、电的作用和反作用机制，探究热量传播路径及其传热能力占比关系，建立多物理场的热失控扩展耦合数学模型，为揭示锂离子动力电池系统的热失控扩展规律提供理论指导，且对锂离子动力电池热失控行为的高效准确预测提供强有力的理论支撑。

锂离子动力电池系统由成百上千个单体电池构成，该系统不仅保留单体电池高非线性特征而且具有温度敏感、加速老化和不一致性等特性，因此保证电池系统的安全应用更为复杂，电池系统的环境条件、热失控触发方式与加载状态、电池成组连接方式、电池热管理形式等因素直接影响电池未来热失控扩展过程。从系统视角考虑安全故障问题，设计安全可靠的电池组连接方式，对于失效电池要及时有效隔离阻止热扩散，对于正常运行电池系统防止超负荷工作 ;优化电池箱内排气孔设计，实现箱内气体的快速释放确定定向通风和自适应气体释放量的气孔;在电池箱内合理布置 温度传感器，对高温电池初步筛查预警。

为了提高动力电池抗热失控风险的能力，研究热失控早期预警机制并引入电池管理系统 (BMS)，是提升锂离子动力电池安全性的重要手段。目前的热失控早期预警方法分为基于电池电压、电流、温度等外部参数的热失控预警技术和基于内部状态预测的热失控预警技术和基于气体检测的预警技术。由于缺乏对电池系统内部状态的准确模拟，基于外部参数的热失控预警技术难以全面评估电池单体潜在热失控风险，故障预警时间较短。因此，有学者提出利用嵌入式可折叠布拉格光纤传感器监测内部温度，或采用阻抗相移快速监测法的基于电池内部状 态的热失控预警方法。在热失控早 期，电池内部副反应产生大量气体，而温度、电压等特征参数变化仍不明显，因此有学者提出基于气体检测装置的电池热失控早期预警技术，基于电池 内部状态预测及气体检测的电池热失控早期预警技术在理论上能够提高热失控早期预警效果，但需要在电池系统硬件结构上进行改造，在电池系统上的实际应用还须不断探索。

锂离子动力电池在使用过程中会不断发生容量 衰减、内阻增大等性能衰退，其安全性能(耐热、耐过充性能等)也会随之变化，单体间不一致性的增加也会降低电池系统的可靠性。电池在触发热失控之前可能会经历安全性不断降低的“演化”过程。锂离子动力电池内部状态与电池故障安全密切相关，通过监控动力电池的端电压、表面温度可判断电池的安全状态，获取电池内部状态如荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)、功率状态(SOP)以及剩余使用寿命(RUL)，可以主动预测电池故障概率，计算锂离子动力电池安全状态 (SOS)。然而可在线实用的状态估计参数，不仅要求精确可靠的电池模型而且复杂的计算过程对硬件提出较高要求，因此准确在线掌握电池内部状态需要将理论与实际工程结合。

在基于大数据的动力电池系统热失控潜在故障 预测方面，国内一些科研机构和企业初步开展了基于大数据的动力电池故障挖掘和潜在故障分析。北京理工大学基于大数据平台和熵值方法提出了新能源汽车电池系统的安全预警方案，实现了温度故障及其导致的热失控诊断和预测;提出了基于多层次筛选算法的动力电池单体电压故障离群点识别方法，并进行了实车验证，对之后开展大数据技术动力电池系统潜在故障分析的研究提供指导。融合大数据分析、人工智能算法构建动力电池热失控潜在故障判定和预测方法，不仅提供先进的 理论 和关键技术，还可为全面提升我国新能源汽车运行安全水平、引领世界新能源汽车产业发展打下坚实基础。

4结论

(1)简述了动力电池系统安全的分类，重点阐述了动力电池安全状态的定义方式，介绍了高压安全及热失控基本概念，提出了电池系统安全框架。
(2)从安全机理、控制机制和防控结构3个方面，详细综述了当前对电池安全管理的成果以及研究思路，将现有安全设计归纳为材料层面、单体层面和系统层面。
(3)针对当前电池安全研究的不足，从电池系 统设计不同层面，提出从机理分析到系统优化设计， 从被动安全防护到主动风险预测的技术趋势预测。
(4)提出动力电池安全防控技术与其他功能存在一定冲突，例如电池间隔热的方法会加剧电池组内部温度不均，与温度一致性的设计目标相矛盾;隔热、排气、灭火等装置的增加都会降低电池组的能量密度，并增加成本。
因此，综合考虑性能指标、安全性和设计成本等因素，进行电池系统设计优化仍是动力电池待解决的难题之一。
文章来源：1．北京理工大学机械与车辆学院;2.电动车辆国家工程实验室;3.北京电动车辆协同创新中心
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