■文/張 希

近年來，電動汽車的自燃事故頻繁發(fā)生，究其原因是由鋰離子動力電池熱失控引起的。因此，如何提升動力電池的安全性以及實現(xiàn)其熱失控提前預(yù)測成為亟待解決的痛點問題。

近年來，由于政府政策支持力度和消費者認可度的提高，我國的電動汽車產(chǎn)業(yè)迎來井噴式發(fā)展，2021年銷量超過300 萬臺，已穩(wěn)居全球第一。根據(jù)《中國制造2025》計劃內(nèi)容可以看出，電動汽車發(fā)展將作為我國未來工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要支柱，其核心零部件的技術(shù)革新將提高我國汽車工業(yè)的戰(zhàn)略性競爭力，推動整個國民經(jīng)濟的可持續(xù)健康發(fā)展。

動力電池作為電動汽車的動力來源，對電動汽車的續(xù)航里程、動力性能及安全性能等起著決定性作用。鋰離子電池因其單體電壓高、比能量高、自放電率小、循環(huán)壽命長等優(yōu)越性能被廣泛應(yīng)用于電動汽車的儲能系統(tǒng)中。然而，隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，電池的安全性也隨之下降，由鋰離子電池熱失控引起的電動汽車自燃事故近年來頻頻發(fā)生，嚴重阻礙了電動汽車的發(fā)展。

鋰離子電池熱失控原因比較復雜，許多學者對鋰離子電池熱失控的誘發(fā)機理和內(nèi)部過程進行了基本探索。目前，公認的鋰離子電池熱失控原因主要分為機械濫用、電氣濫用和熱濫用。在這3 種濫用條件引起的熱失控過程中，一系列不可控的放熱反應(yīng)是引起熱失控的關(guān)鍵，包括固體電解質(zhì)界面（SEI）的分解、陽極與電解液的反應(yīng)、陰極與電解液的反應(yīng)、電解液的分解等。熱失控一旦發(fā)生，消防手段暫時無法真正觸及正在進行的反應(yīng)物質(zhì)，其終止只能是反應(yīng)物全部燃盡。為了提高動力電池的安全性，進一步保障電動汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，構(gòu)建精準、廣泛適用的動力電池熱失控預(yù)測和預(yù)警方法具有重要意義。

“鋰離子電池的熱失控預(yù)測和預(yù)警主要是通過將傳感器采集的實時數(shù)據(jù)輸入到既定的算法中，并與熱失控邊界進行比較來實現(xiàn)的。”

鋰離子電池的熱失控預(yù)測和預(yù)警主要是通過將傳感器采集的實時數(shù)據(jù)輸入到既定的算法中，并與熱失控邊界進行比較來實現(xiàn)的。傳感器收集的數(shù)據(jù)包括電壓、電流、溫度、氣體濃度和膨脹力等。目前，鋰離子電池的熱失控預(yù)測方法可以分為兩類：一類是基于電池內(nèi)部電化學機理建立的；另一類則是基于電池大數(shù)據(jù)的人工智能算法。

在基于電池電化學機理建立的熱失控預(yù)測和預(yù)警方面，一般通過電化學-熱耦合模型計算電池發(fā)熱量，并根據(jù)電池工作條件確定電池熱失控邊界。通過測量電池在熱失控初期的氣體生成量，包括一氧化碳、二氧化碳等，可以實現(xiàn)基于氣體濃度監(jiān)測的鋰離子電池片和電池組的熱失控預(yù)警。此外，根據(jù)鋰離子電池的電化學阻抗譜特征進行熱失控預(yù)警，包括以阻抗相角、零穿越頻率等參數(shù)估計電池內(nèi)部的實時溫度，以動態(tài)阻抗斜率在特定頻率范圍內(nèi)由負變正的特征檢測電池過充情況，從而防止電池熱失控事故的發(fā)生。這些方法具有很強的可解釋性，但由于熱失控事件的隨機性和復雜機制，建立精準的機理預(yù)測模型較為困難。

在基于電池大數(shù)據(jù)的人工智能熱失控預(yù)測方法方面，從算法的先進性來看，經(jīng)歷了閾值邊界確定方法、信息統(tǒng)計確定、機器學習到元學習方法的發(fā)展。從直接分析電壓、電流、溫度等參數(shù)到多模態(tài)數(shù)據(jù)的小樣本學習，算法效果進步神速。人工智能方法獲取熱失控數(shù)據(jù)的途徑也多種多樣，如實車數(shù)據(jù)、熱失控實驗數(shù)據(jù)、故障注入模擬數(shù)據(jù)等。然而，基于大數(shù)據(jù)的動力電池熱失控預(yù)測算法同樣面臨諸多挑戰(zhàn)。電池是一個復雜的時變系統(tǒng)，閾值參數(shù)邊界會隨著電池的類型和老化而變化，模型的可遷移性能值得探討?；趯嶒炐詿崾Э財?shù)據(jù)的研究在一定程度上揭示了熱失控的原因，但這種理想的數(shù)據(jù)與真實的車輛數(shù)據(jù)之間存在很大的差距。因此，目前業(yè)界還未形成穩(wěn)定可靠的算法來預(yù)測基于真實車輛數(shù)據(jù)的熱失控。

為了建立準確的、廣泛適用的鋰離子電池熱失控預(yù)測和預(yù)警方法，應(yīng)建立一種結(jié)合外部特征（溫度、電壓、電流）和內(nèi)部機制（電化學反應(yīng)和材料變化）的多尺度方法，分析鋰離子電池在熱失控演化過程中的電化學-熱耦合特性。此外，應(yīng)構(gòu)建電化學參數(shù)的逐漸變化與熱失控風險之間的定量規(guī)律，以此為依據(jù)構(gòu)建動力電池安全運行邊界，從而實現(xiàn)對鋰離子電池熱失控風險的定量評估和預(yù)測。

近年來，雖然鋰離子電池安全研究取得了一些成績，但是鋰離子電池熱失控預(yù)測和預(yù)警研究還有很長的路要走，需要整合材料學、電化學、熱力學、人工智能等學科，從而建立準確、廣泛適用的鋰離子電池熱失控預(yù)測和預(yù)警方法。這些方法將降低電動汽車自燃事故的發(fā)生概率，提高電動汽車的市場接受度，促進電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。