陳天雨 馮旭寧 歐陽明高 盧蘭光

1.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084 2.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京，100084

0 引言

隨著電動(dòng)汽車的產(chǎn)銷量不斷增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車安全性事故次數(shù)也逐年增加，其中，電池?zé)崾Э厥菍?dǎo)致電動(dòng)汽車安全性事故的一個(gè)重要原因［1］。動(dòng)力電池?zé)崾Э貢?huì)引起電池系統(tǒng)起火甚至爆炸，進(jìn)而引燃汽車內(nèi)飾，給乘客生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅。動(dòng)力電池的安全性問題是目前電動(dòng)汽車發(fā)展過程中亟待解決的問題之一。

目前，在主流的純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車中，具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充電速度快等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池得到最廣泛的應(yīng)用。最常用的鋰離子電池負(fù)極材料為石墨，正極材料包括磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元鋰等。隨著人們對(duì)電池能量密度提出更高訴求，以高鎳三元材料為正極、硅碳材料為負(fù)極的鋰離子電池成為開發(fā)重點(diǎn)，但是電池能量密度提升的同時(shí)帶來了安全性變差的問題。目前動(dòng)力電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計(jì)較多以“設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證-重新設(shè)計(jì)”這種試錯(cuò)的方法進(jìn)行，造成較高的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，無法滿足系統(tǒng)安全性保障跟上能量密度提升步伐的迫切需求。因此在提升電池系統(tǒng)能量密度的同時(shí)，開發(fā)高效的電池?zé)岚踩O(shè)計(jì)方法也變得緊迫。

本文結(jié)合筆者所在課題組對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)熱安全問題的理解和多年來對(duì)動(dòng)力電池?zé)岚踩脑O(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提出了從電池材料、單體、系統(tǒng)三個(gè)尺度，進(jìn)行熱安全測(cè)試、建模與設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池系統(tǒng)熱安全多尺度的設(shè)計(jì)開發(fā)理念，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)流程中需要考慮的因素進(jìn)行了總結(jié)。

1 鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性問題概述

動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性核心問題體現(xiàn)為電池的熱失控及熱失控在電池單體之間的蔓延。動(dòng)力電池?zé)崾Э兀侵鸽姵卦谝欢ǖ臑E用條件下，內(nèi)部材料發(fā)生一系列的放熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，引起電池產(chǎn)生劇烈溫升的現(xiàn)象［2］。電池間熱失控蔓延，是指電池模組中某一節(jié)電池發(fā)生熱失控后，由于能量傳遞引發(fā)周圍電池單體過熱，并進(jìn)一步引發(fā)其他電池?zé)崾Э氐倪^程。

電池在機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用等濫用條件下，會(huì)產(chǎn)生異常高溫［3］，并引發(fā)一系列副反應(yīng)，如圖1所示。電池局部溫度達(dá)到副反應(yīng)起始溫度后，首先發(fā)生放熱較為緩慢的副反應(yīng)，若此時(shí)反應(yīng)釋放的能量沒有被散熱及時(shí)帶出，則會(huì)引起電池溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)電池溫度達(dá)到一定值時(shí)會(huì)引起更加劇烈的副反應(yīng)，此時(shí)就很難通過散熱抑制電池的溫升。由以上分析可知，熱失控觸發(fā)溫度是評(píng)判電池?zé)岚踩缘闹匾獏?shù)，電池材料熱穩(wěn)定性則是決定電池?zé)岚踩缘闹饕蛩亍ｋ姵責(zé)崾Э匕l(fā)生的化學(xué)反應(yīng)包括SEI膜、電解液、正極材料的分解反應(yīng)，以及電池各材料之間的相互反應(yīng)［4-6］。

圖1 電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)Fig.1 Thermal runaway chain reaction of battery

電池?zé)崾Э刂庇^表現(xiàn)為劇烈噴閥，以及隨之發(fā)生的起火現(xiàn)象。電池材料的副反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量氣體，其中包含 CO、H2、CH4、C2H4等可燃性氣體［7］，同時(shí)，溫度升高引起電解液溶劑氣化。電池?zé)崾Э赜|發(fā)后反應(yīng)劇烈，產(chǎn)氣速率非?？?，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)因高溫和反應(yīng)產(chǎn)生破壞，氣流會(huì)攜帶電池中的固體顆粒物從電池封裝薄弱位置劇烈噴出，這個(gè)過程往往會(huì)產(chǎn)生火星。當(dāng)裹挾著火星的高溫?zé)煔膺M(jìn)入含有充足氧氣的環(huán)境，這就具備了燃燒的三個(gè)條件，進(jìn)而發(fā)生起火，如圖2所示。

圖2 電池?zé)崾Э仄鸹饤l件Fig.2 Fire conditions of battery’s thermal runaway

單節(jié)電池?zé)崾Э赜|發(fā)之后釋放大量的熱，這些熱一部分留在電池內(nèi)部使電池溫度急劇升高，溫度升高的電池以對(duì)流、導(dǎo)熱、輻射等形式將熱傳到相鄰電池，另一部分能量在噴閥過程中隨著氣體和顆粒物而流出，并隨著氣流流動(dòng)將能量傳向周圍電池。當(dāng)被觸發(fā)熱失控電池周邊的電池溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度時(shí)，即發(fā)生熱失控的蔓延。

影響熱失控蔓延的因素如圖3所示，對(duì)于不同的電池類型以及不同的成組方式和模組環(huán)境，熱失控蔓延發(fā)生的主要影響因素會(huì)有一定的差異。對(duì)于接觸面比較大的方殼和軟包電池來說，當(dāng)某節(jié)電池發(fā)生熱失控時(shí)，與相鄰電池之間產(chǎn)生很大的溫度梯度，從而對(duì)相鄰電池產(chǎn)生劇烈的側(cè)向加熱，這種傳熱過程是引發(fā)熱失控蔓延的主要因素［8］。對(duì)于接觸面比較小的圓柱型電池來說，電池之間的傳熱量變得不那么劇烈，但是對(duì)于并聯(lián)電池組來說，某節(jié)電池發(fā)生熱失控后其他電池會(huì)向其放電，導(dǎo)致熱失控電池與周圍電池都產(chǎn)生更大的溫升，從而促進(jìn)電池?zé)崾Э芈拥陌l(fā)生［9］；另外，電池?zé)崾Э貒姵龅母邷匚镔|(zhì)如果直接接觸周圍電池，會(huì)對(duì)周圍電池產(chǎn)生較強(qiáng)的加熱作用，也會(huì)促進(jìn)熱失控蔓延的發(fā)生［10］。

圖3 電池?zé)崾Э芈佑绊懸蛩谾ig.3 Influence factor of thermal runaway propagation

可以看到，對(duì)于動(dòng)力電池?zé)岚踩珕栴}，電池材料的放熱反應(yīng)是根本原因，單體電池的劇烈溫升、噴閥爆炸與起火是熱失控的直接體現(xiàn)，模組電池之間的熱失控蔓延與電池系統(tǒng)起火是電池系統(tǒng)熱安全問題危害性的直接推手，因此，如何通過材料改性從根本上提升電池?zé)岚踩?、如何通過單體設(shè)計(jì)降低熱失控發(fā)生的危險(xiǎn)性、如何通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)降低電池包熱安全事故危害性，是動(dòng)力電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)需要考慮的問題。

基于此，筆者總結(jié)所在課題組經(jīng)驗(yàn)提出了動(dòng)力電池系統(tǒng)多尺度的熱安全設(shè)計(jì)開發(fā)模式，如圖4所示。設(shè)計(jì)過程從電池材料、單體、模組/系統(tǒng)三個(gè)尺度進(jìn)行，包括測(cè)試與設(shè)計(jì)兩個(gè)層面，測(cè)試與設(shè)計(jì)之間通過相應(yīng)的模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

圖4 動(dòng)力電池系統(tǒng)多尺度熱安全設(shè)計(jì)開發(fā)模式Fig.4 Model-based multi-scale thermal safety design of traction battery system

2 動(dòng)力電池安全測(cè)試方法

為了獲取動(dòng)力電池?zé)岚踩匦?，需要從電池材料反?yīng)特性、單體熱失控特性、電池模組熱失控蔓延特性幾個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。

電池材料熱穩(wěn)定性測(cè)試一般采用專業(yè)的量熱儀器進(jìn)行，包括絕熱加速量熱儀（accelerating rate calorimeter，ARC）、差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC）、熱重分析（thermal gravimetric analysis，TGA）儀等。其中，ARC測(cè)試過程中，通過對(duì)量熱腔加熱器件的控制，為樣品提供近似絕熱的環(huán)境，進(jìn)而得到材料在絕熱條件下的反應(yīng)溫升情況。為了獲得相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，一般使用DSC進(jìn)行測(cè)試。在DSC測(cè)試過程中，可以設(shè)定多重掃描速率，掃描速率盡量涵蓋電池實(shí)際熱失控過程中的溫升速率范圍，然后利用Ozawa法或Kissinger法等方法，計(jì)算獲得材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并且可以通過反應(yīng)峰分解，將整個(gè)反應(yīng)過程中的幾個(gè)反應(yīng)分解開，進(jìn)而獲取更加詳細(xì)的反應(yīng)信息。圖5所示為某NCM三元鋰離子電池正極材料的DSC測(cè)試結(jié)果，可以看到此正極材料的分解由三個(gè)反應(yīng)組成，測(cè)試得到相應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)就可以對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。

圖5 正極材料DSC測(cè)試結(jié)果Fig.5 DSC test results of cathode material

單體電池的熱安全測(cè)試需要獲取電池?zé)崾Э剡^程中的溫升特性、產(chǎn)氣特性、燃燒特性、熱失控內(nèi)部蔓延特性等。電池單體熱失控溫升特性較多采用ARC進(jìn)行絕熱熱失控測(cè)試，可以獲得單體電池的自產(chǎn)熱起始溫度θ1、溫升速率、熱失控觸發(fā)溫度θ2與電池最高溫度θ3等單體熱失控反應(yīng)特征參數(shù)，如圖6所示。利用這些參數(shù)可以對(duì)單體電池的安全性進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)一步指導(dǎo)電池單體安全性設(shè)計(jì)。單體ARC測(cè)試還可以得到電池的產(chǎn)氣量隨溫度的變化情況，并可以通過對(duì)氣體進(jìn)行收集來研究電池?zé)崾Э氐漠a(chǎn)氣成分，指導(dǎo)電池安全閥的設(shè)計(jì)和電池防火安全性設(shè)計(jì)。電池?zé)崾Э厝紵艧崆闆r則可通過錐形量熱儀進(jìn)行測(cè)試，電池單體內(nèi)部的熱失控蔓延，可以使用紅外攝影、高速CT等手段進(jìn)行測(cè)試［11］。此外，單體安全相關(guān)實(shí)驗(yàn)包括針刺、加熱、擠壓、跌落、泡水、過充、過放等。

圖6 單體電池ARC測(cè)試結(jié)果Fig.6 ARC test results of battery

熱失控蔓延分為“觸發(fā)”和“蔓延”兩個(gè)關(guān)鍵過程。在實(shí)驗(yàn)中，常見的觸發(fā)方式為加熱或針刺觸發(fā)等相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的方法。熱失控蔓延實(shí)驗(yàn)需要通過對(duì)電池溫度、電壓、內(nèi)阻等參數(shù)的測(cè)量，獲得熱失控蔓延的規(guī)律。熱失控的蔓延規(guī)律一般從以下幾個(gè)角度進(jìn)行分析：被蔓延電池的熱失控觸發(fā)邊界條件、熱失控蔓延速率、各個(gè)熱流途徑的熱流功率與熱流量、電連接能量流動(dòng)規(guī)律、煙氣引起起火與爆炸可能性等。為了研究不同因素對(duì)熱失控蔓延的影響，需要進(jìn)行控制因素實(shí)驗(yàn)研究，常用的方法包括傳熱條件控制、電連接控制、噴閥物質(zhì)流動(dòng)控制等。

3 動(dòng)力電池?zé)岚踩７椒?/h2>

建模仿真是工程設(shè)計(jì)的重要方法，與單純基于實(shí)驗(yàn)的方法相比，可以以相對(duì)較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)標(biāo)定模型，得到較為準(zhǔn)確的研究與設(shè)計(jì)結(jié)果。動(dòng)力電池?zé)岚踩慕？梢苑譃椴牧戏磻?yīng)動(dòng)力學(xué)模型、單體熱失控模型、模組熱失控蔓延模型等。由于本文涉及的模型較多，因此僅對(duì)已有的建模方法與進(jìn)一步的完善思路作概述性介紹，具體的建模細(xì)節(jié)參考文獻(xiàn)［12-13］。

3.1 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

電池?zé)崾Э胤磻?yīng)動(dòng)力學(xué)模型是通過解析電池?zé)崾Э剡^程中發(fā)生的副反應(yīng)，標(biāo)定各個(gè)副反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合質(zhì)量守恒、能量守恒的原則建立的描述電池?zé)崾Э卣麄€(gè)溫度范圍內(nèi)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。

鋰離子電池是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，異常高溫下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，因此，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模的關(guān)鍵是要解決反應(yīng)參數(shù)解析與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)標(biāo)定的問題。模型著眼于總體反應(yīng)，較少考慮具體的基元反應(yīng)。目前建模中考慮到的反應(yīng)包括：電極材料及電解液的分解反應(yīng)、SEI膜的分解與重生反應(yīng)、電極材料與電解液之間的反應(yīng)等。為了得到模型參數(shù)，電池材料被分成幾種組合方式，分別進(jìn)行DSC測(cè)試，并最終得到不同組合的熱失控反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。利用質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、化學(xué)反應(yīng)的阿倫尼烏茲公式等，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的電池組分質(zhì)量、電池材料熱物性參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)等數(shù)據(jù)，建立電池?zé)崾Э氐幕瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。模型主要公式如下：

式中，m為電池質(zhì)量；cb為電池比熱容；T為電池溫度；Qx為第x個(gè)反應(yīng)的放熱率，下標(biāo)x代表第x個(gè)反應(yīng)；ΔHx為反應(yīng)焓變；mx為反應(yīng)物質(zhì)量；cx為反應(yīng)物歸一化濃度；t為時(shí)間；cx，0為 cx的初始值；Ax為反應(yīng)的向前因子；nx，1、nx，2為反應(yīng)的階數(shù)；Ea，x為反應(yīng)的活化能；gx（t）為特殊反應(yīng)的修正項(xiàng)；R0為理想氣體常數(shù)，R0=8.314 J/（mol?K）。

式（1）、式（2）為能量方程，表示化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，式（3）為質(zhì)量方程，式（4）為化學(xué)反應(yīng)的阿倫尼烏茲公式。

圖7所示為利用某NCM三元鋰離子電池的熱失控化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到的電池絕熱熱失控條件下的溫升速率與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，由圖可知模型具有比較好的模擬精度。

圖7 電池絕熱熱失控溫升速率計(jì)算結(jié)果Fig.7 Simulation results of temperature rise rate of battery in adiabatic thermal runaway test

3.2 單體熱失控模型

電池單體熱失控模型分為集總參數(shù)模型和三維模型，集總參數(shù)模型可實(shí)現(xiàn)電池?zé)崾Э剡^程中的溫度預(yù)測(cè)與壓力及噴閥預(yù)測(cè)，三維模型除此以外還可以預(yù)測(cè)熱失控在單體內(nèi)部的蔓延過程及熱失控后電池溫度場(chǎng)的演變過程。

對(duì)于大尺寸電池而言，電池單體內(nèi)部的溫度場(chǎng)與傳熱方式、熱失控反應(yīng)蔓延方式相關(guān)。簡(jiǎn)化的熱失控單體三維模型將電池內(nèi)部的熱失控蔓延及熱失控結(jié)束后的降溫過程看成固體傳熱過程［14］，滿足傳熱學(xué)基本方程：

式中，ρ為材料的密度；cM為材料的比熱容；TM為材料的溫度；qv為組件的比體積產(chǎn)熱功率，產(chǎn)熱功率通過化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型或絕熱熱失控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定；λx、λy、λz為不同方向上的熱導(dǎo)率。

圖8所示為基于固體傳熱假設(shè)建立的某NCM三元電池針刺觸發(fā)熱失控三維模型計(jì)算結(jié)果，模型中的針刺短路電能根據(jù)文獻(xiàn)［15］中的結(jié)果設(shè)定，模型計(jì)算得到的溫度場(chǎng)如圖9所示。

圖8 單體電池針刺熱失控仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of battery’s temperature in nail penetration test

圖9 電池針刺熱失控溫度場(chǎng)Fig.9 Simulation results of battery’s temperature field in nail penetration test

實(shí)際的單體電池?zé)崾Э剡^程還包括氣體流動(dòng)，雖然氣流攜帶的熱量比較少，但是熱失控反應(yīng)是包含了氣、液、固三相物質(zhì)相互反應(yīng)的復(fù)雜過程，電池內(nèi)部平行于極片方向上的熱失控蔓延包含傳熱和傳質(zhì)過程的共同影響。垂直于極片方向上的熱失控蔓延過程，目前認(rèn)為主要由固體傳熱引起，因此準(zhǔn)確的單體熱失控蔓延模型是一個(gè)傳熱、流動(dòng)、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)相互耦合的模型。

電池?zé)崾Э厥且粋€(gè)內(nèi)部電化學(xué)體系破壞的過程，其間電池電壓發(fā)生下降，電池也經(jīng)歷一個(gè)從電源向電阻轉(zhuǎn)化的過程。伴隨著熱失控在電池內(nèi)部的蔓延，電源變電阻的過程也同時(shí)在電池中蔓延。將電化學(xué)體系的破壞過程和電池電壓、電阻的變化過程聯(lián)系起來，可以建立電池?zé)崾Э氐臒?電耦合模型。

3.3 電池模組熱失控蔓延模型

電池模組熱失控蔓延模型著眼于對(duì)熱失控在模塊和電池包中蔓延過程的模擬。建立熱失控蔓延模型需要提取電池模組中主要的傳熱路徑，包括單體間的固體傳熱過程、對(duì)流與輻射換熱過程、熱失控電池噴出高溫物及其燃燒火焰對(duì)周圍電池的加熱過程。另外，電池?zé)崾Э睾髶p失一定的質(zhì)量，伴隨著電池密度、熱導(dǎo)率、比熱容等熱物性參數(shù)的變化，會(huì)導(dǎo)致電池之間的傳熱狀況改變，從而影響熱失控蔓延進(jìn)程，這也是需要在建模中考慮的因素。模型中電池產(chǎn)熱功率設(shè)置需建立在單體電池?zé)崾Э販y(cè)試與建模的基礎(chǔ)上，而對(duì)高溫?zé)煔獾目紤]則需要建立在單體電池?zé)崾Э貒婇y特性研究的基礎(chǔ)上。

圖10所示為基于傳熱過程建立的熱失控蔓延三維模型仿真結(jié)果，此模型模擬了6節(jié)電池串聯(lián)組成的模組在開放空間中用針刺的方法觸發(fā)第一節(jié)電池?zé)崾Э睾?，熱失控在電池模組中的蔓延過程，由于在開放空間中高溫?zé)煔鈱?duì)熱失控蔓延的影響較弱，因此此模型未考慮高溫?zé)煔獾挠绊?。圖10中實(shí)線為實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的6節(jié)電池的中心溫度，虛線為仿真結(jié)果，圖11為相應(yīng)的三維溫度場(chǎng)。

圖10 電池模組熱失控蔓延仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of battery module’s thermal runaway propagation

與單體熱失控過程類似的是，熱失控蔓延也是一個(gè)熱-電耦合過程。對(duì)于并聯(lián)電池組，失效電池由一個(gè)電源變成一個(gè)電阻，其他電池會(huì)向其放電，電流引起產(chǎn)熱，導(dǎo)致失效電池溫度進(jìn)一步升高，某些情況下這種電流動(dòng)會(huì)加速熱失控蔓延。由單體熱失控量熱測(cè)試和模組熱失控蔓延測(cè)試可知，電池在發(fā)生熱失控后電阻會(huì)隨時(shí)間有一定的變化?；趩误w電池?zé)崾Э氐臒?電耦合特性，可以建立并聯(lián)模組的熱失控蔓延熱-電耦合模型。

圖11 電池模組熱失控蔓延溫度場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of battery module’s temperature field in thermal runaway propagation test

綜上所述，完整的熱失控蔓延模型，需要考慮電池系統(tǒng)組件傳熱、高溫?zé)煔鈧鳠?、電池電連接等因素。其中固體傳熱是最重要的因素，煙氣傳熱在相對(duì)封閉的電池包中也變得重要，電連接需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析。

4 安全性設(shè)計(jì)開發(fā)方法

基于模型的電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計(jì)思路可以由圖12來表示，從電池材料、電池單體、電池系統(tǒng)三個(gè)尺度可以分別利用相應(yīng)的模型對(duì)熱安全特性進(jìn)行仿真分析，基于分析結(jié)果可以有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終對(duì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖12 基于模型的電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計(jì)思路Fig.12 Route of model-based thermal safety design of traction battery system

電池?zé)崾Э馗驹蚴欠艧徭準(zhǔn)椒磻?yīng)的連續(xù)進(jìn)行，從材料角度考慮，可以通過抑制或切斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來達(dá)到減小熱失控危害甚至抑制熱失控發(fā)生的目的。準(zhǔn)確解析化學(xué)反應(yīng)過程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，可以幫助研究者準(zhǔn)確找到電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)中的關(guān)鍵反應(yīng)步驟，從而更有針對(duì)性地對(duì)材料安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的三元石墨鋰離子電池來說，電解液與負(fù)極、正極分解釋氧等反應(yīng)是引發(fā)電池?zé)崾Э氐闹匾磻?yīng)。可以考慮從正負(fù)極材料包覆、電解液添加劑等角度進(jìn)行材料改性［16-19］，通過這些方法可以提升SEI膜、正負(fù)極材料的穩(wěn)定性，從而延緩重要副反應(yīng)的發(fā)生，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型可以定量給出不同的安全手段對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的抑制效果。

從單體安全性設(shè)計(jì)的角度來看，需主要關(guān)注如何避免電池發(fā)生異常高溫,從而在源頭上避免鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生，避免電池產(chǎn)氣時(shí)內(nèi)部壓力過快升高產(chǎn)生爆炸、劇烈噴閥與起火，延緩熱失控電池內(nèi)部蔓延等。正溫度系數(shù)電阻（PTC）、電流切斷裝置（CID）等電流控制手段，安全閥等泄壓手段，是目前用于提高單體電池安全性的主要手段［20］。由于熱失控在電池中存在單體內(nèi)部蔓延過程，可以利用單體熱失控三維模型，分別分析極片平行方向上的傳質(zhì)傳熱控制的熱失控蔓延特性、極片垂直方向上的傳熱控制的熱失控蔓延特性，并進(jìn)一步尋找延緩熱失控在單體內(nèi)部蔓延的有效手段。例如，對(duì)于通過在單體電池中加散熱板來抑制熱失控單體內(nèi)蔓延的方法，可以通過仿真對(duì)散熱板結(jié)構(gòu)和放置位置進(jìn)行計(jì)算，從而得到最易實(shí)現(xiàn)且效果最好的方案。

基于模型的電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)，關(guān)注電池荷電狀態(tài)（SOC）、熱失控溫升特性、模組傳熱特性、并聯(lián)電連接電流、高溫?zé)煔獾纫蛩?，基于模組熱失控蔓延模型，進(jìn)行關(guān)于熱失控蔓延速率的單因素與多因素敏感性分析，可得到影響熱失控蔓延的主要因素。單純的熱失控蔓延實(shí)驗(yàn)往往只能給出上述影響因素的定性結(jié)論，而基于熱失控蔓延模型的敏感性分析可以為電池成組安全性設(shè)計(jì)提供可量化的設(shè)計(jì)依據(jù)，為最優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。目前，電池系統(tǒng)安全防范方案包括：基于熱管理的安全性設(shè)計(jì)、應(yīng)急噴淋冷卻與滅火、特殊噴閥流道設(shè)計(jì)，熱失控蔓延模型可以為這些方法提供設(shè)計(jì)依據(jù)。例如，對(duì)于相變冷卻的熱管理方法，通過仿真計(jì)算可以得到安全保障所需的相變材料熱物性邊界極值。在多因素研究的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮電池系統(tǒng)的成本增加、系統(tǒng)復(fù)雜性、可靠性等因素，可以形成最優(yōu)化的電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計(jì)方案。

基于模型仿真的安全性設(shè)計(jì)，可以減少設(shè)計(jì)驗(yàn)證所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，從而節(jié)省大量的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本。以系統(tǒng)層面的熱管理安全性設(shè)計(jì)為例，基于單純實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)方法，為了得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果，需要不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；而基于模型的設(shè)計(jì)方法，一方面可以通過仿真分析得到熱失控蔓延過程中的傳熱特性，為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，大大提高設(shè)計(jì)效率，另一方面可以通過仿真對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，從而只需要對(duì)優(yōu)化之后的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最大程度地減少設(shè)計(jì)過程所需實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

5 結(jié)語

本文基于課題組多年研究經(jīng)驗(yàn)，提出了基于模型的動(dòng)力電池系統(tǒng)多尺度熱安全設(shè)計(jì)開發(fā)總體思路。在電池材料方面，概述了基于材料熱穩(wěn)定性測(cè)試與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)切斷設(shè)計(jì)方法；在電池單體方面，討論了基于熱失控特性測(cè)試與單體熱失控模型的電池單體熱失控防控設(shè)計(jì)方法；在電池模組與系統(tǒng)方面，總結(jié)了基于熱失控蔓延測(cè)試與模型的電池系統(tǒng)熱失控蔓延抑制設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果可以為動(dòng)力電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。