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

隨著電動汽車的產(chǎn)銷量不斷增長，電動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)致電動汽車安全性事故的一個重要原因［1］。動力電池?zé)崾Э貢痣姵叵到y(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。動力電池的安全性問題是目前電動汽車發(fā)展過程中亟待解決的問題之一。

目前，在主流的純電動汽車和插電式混合動力汽車中，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、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帶來了安全性變差的問題。目前動力電池系統(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)”這種試錯的方法進(jìn)行，造成較高的時間和經(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，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動力電池系統(tǒng)熱安全問題的理解和多年來對動力電池?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)三個尺度，進(jìn)行熱安全測試、建模與設(shè)計(jì)的動力電池系統(tǒng)熱安全多尺度的設(shè)計(jì)開發(fā)理念，對動力電池系統(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 鋰離子動力電池系統(tǒng)安全性問題概述

動力電池系統(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。動力電池?zé)崾Э?，是指電池在一定的濫用條件下，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)，若此時反應(yīng)釋放的能量沒有被散熱及時帶出，則會引起電池溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)電池溫度達(dá)到一定值時會引起更加劇烈的副反應(yīng)，此時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)會產(chǎn)生大量氣體，其中包含 CO、H2、CH4、C2H4等可燃性氣體［7］，同時，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)氣速率非常快，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)因高溫和反應(yīng)產(chǎn)生破壞，氣流會攜帶電池中的固體顆粒物從電池封裝薄弱位置劇烈噴出，這個過程往往會產(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，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有一定的差異。對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，與相鄰電池之間產(chǎn)生很大的溫度梯度，從而對相鄰電池產(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，會對周圍電池產(chǎn)生較強(qiáng)的加熱作用，也會促進(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，對于動力電池?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)三個尺度進(jìn)行，包括測試與設(shè)計(jì)兩個層面，測試與設(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 動力電池安全測試方法

為了獲取動力電池?zé)岚踩匦裕枰獜碾姵夭牧戏磻?yīng)特性、單體熱失控特性、電池模組熱失控蔓延特性幾個方面進(jìn)行測試。

電池材料熱穩(wěn)定性測試一般采用專業(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測試過程中，通過對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)動力學(xué)參數(shù)，一般使用DSC進(jìn)行測試。在DSC測試過程中，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)動力學(xué)參數(shù)，并且可以通過反應(yīng)峰分解，將整個反應(yīng)過程中的幾個反應(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測試結(jié)果，可以看到此正極材料的分解由三個反應(yīng)組成，測試得到相應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)就可以對反應(yīng)過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。

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

單體電池的熱安全測試需要獲取電池?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)可以對單體電池的安全性進(jìn)行評估，并進(jìn)一步指導(dǎo)電池單體安全性設(shè)計(jì)。單體ARC測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)等相對容易實(shí)現(xiàn)的方法。熱失控蔓延實(shí)驗(yàn)需要通過對電池溫度、電壓、內(nèi)阻等參數(shù)的測量，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、各個熱流途徑的熱流功率與熱流量、電連接能量流動規(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)流動控制等。

3 動力電池?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。動力電池?zé)岚踩慕？梢苑譃椴牧戏磻?yīng)動力學(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)動力學(xué)模型

電池?zé)崾Э胤磻?yīng)動力學(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)定各個副反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(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€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測試，并最終得到不同組合的熱失控反應(yīng)動力學(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個反應(yīng)的放熱率，下標(biāo)x代表第x個反應(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)測與壓力及噴閥預(yù)測，三維模型除此以外還可以預(yù)測熱失控在單體內(nèi)部的蔓延過程及熱失控后電池溫度場的演變過程。

對于大尺寸電池而言，電池單體內(nèi)部的溫度場與傳熱方式、熱失控反應(yīng)蔓延方式相關(guān)。簡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，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傳熱、流動、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)相互耦合的模型。

電池?zé)崾Э厥且粋€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試與建模的基礎(chǔ)上，而對高溫?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崾Э芈拥挠绊戄^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。

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熱-電耦合過程。對于并聯(lián)電池組，失效電池由一個電源變成一個電阻，其他電池會向其放電，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會加速熱失控蔓延。由單體熱失控量熱測試和模組熱失控蔓延測試可知，電池在發(fā)生熱失控后電阻會隨時間有一定的變化?；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)三個尺度可以分別利用相應(yīng)的模型對熱安全特性進(jìn)行仿真分析，基于分析結(jié)果可以有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終對優(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，從而更有針對性地對材料安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。對于目前廣泛應(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)?？梢钥紤]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)動力學(xué)模型可以定量給出不同的安全手段對鏈?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設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，從而只需要對優(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)定性測試與化學(xué)反應(yīng)動力學(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)果可以為動力電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。