賈子潤，王震坡，王秋詩，黎小慧，孫逢春

（1.北京理工大學機械與車輛學院，電動車輛國家工程研究中心，北京 100081；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081）

前言

新能源汽車是全球汽車產業(yè)轉型升級、綠色發(fā)展的主要方向［1］。鋰離子電池作為新能源汽車的主要動力電池類型，具有能量密度高、輸出功率大、自放電小以及工作溫度范圍寬等特點［2］。然而，隨著新能源汽車產業(yè)規(guī)模的擴大，著火事故日趨增加，其中90%以上是由動力電池熱失控誘發(fā)［3］。熱失控事故導致了消費者的安全焦慮，嚴重阻礙了產業(yè)的發(fā)展，為保障駕乘人員生命財產安全，提振新能源汽車消費信心，突破動力電池應用過程中安全、健康評估以及安全風險預警的難題，開展動力電池安全管控技術的研究勢在必行。近年來，動力電池熱失控誘發(fā)與反應機理、電池老化過程的安全問題以及動力電池熱失控的防護與防控方法已經成為新能源汽車領域的研究熱點之一。

關于動力電池安全問題，國內外研究人員開展了大量研究。法國的Abada等［4］圍繞鋰離子動力電池的安全建模問題進行了總結；美國的Bandhauer等［5］對鋰離子動力電池的熱安全性問題進行了評述。國內Wang等［6］開展了針對鋰離子電池熱失控的理論、模型和基本化學反應的研究；Hu等［7］總結了電池失效機理及診斷方法；孫振宇等［8］圍繞新能源汽車動力電池系統(tǒng)故障診斷技術進行了總結；Sun等［9］綜述了電動汽車鋰離子電池火災安全研究的現(xiàn)狀。以上研究為鋰離子動力電池熱失控的安全風險管控技術發(fā)展提供了指導，隨著近年來大數據、人工智能等新一代信息技術的發(fā)展，電池安全風險管控的新思路不斷涌現(xiàn)。

以全面反映動力電池熱失控安全管控的研究現(xiàn)狀和技術發(fā)展趨勢為目標，從鋰離子動力電池熱失控的誘發(fā)和反應機理、安全管控方法兩方面展開綜述。在動力電池熱失控機理研究部分，將誘發(fā)電池熱失控的因素歸納為外部濫用以及電池老化造成的內短路，并在此基礎上闡述了不同誘發(fā)因素對應的內部機理和外部表征，為電池材料更新和結構設計、熱失控預警報警理論研究、熱失控擴散隔離以及有效滅火材料開發(fā)提供理論基礎；在動力電池的安全管控方法研究部分，根據動力電池生產、使用到熱失控的發(fā)展順序，從鋰離子動力電池安全防護設計、動力電池安全風險預測與預警以及熱失控被動控制與防護3個不同階段綜述了鋰離子動力電池的安全風險管控方法，并在本文最后對未來的技術發(fā)展方向和前景進行了展望與總結。

1 鋰離子動力電池熱失控機理

鋰離子動力電池“熱失控”是一種由電池溫度急劇上升而導致電池出現(xiàn)不可逆的失效現(xiàn)象（如電池起火、短時內性能明顯下降等），通常由電池內部物質發(fā)生連鎖反應引起［10］。機械濫用、電濫用、熱濫用等外部的極端條件均會導致電池發(fā)生熱失控［11］，因此，研究熱失控誘發(fā)條件和發(fā)生機理（內部機理），闡明熱失控行為特性（外在表現(xiàn)），能夠為電池系統(tǒng)安全防護設計和安全管控技術研究提供理論基礎。

誘發(fā)動力電池熱失控的原因復雜，大體上可分為機械濫用（碰撞、擠壓、穿刺）、電濫用（過充、過放和外短路）、熱濫用（外部高溫烘烤）以及電池老化所引起的電池內短路等［12-13］。圖1對不同濫用情況所誘發(fā)的熱失控行為進行了總結。

圖1 鋰離子動力電池熱失控誘發(fā)原因

機械濫用產生的起因通常是由于電池或電池組遭受外力（如碰撞等）的影響，從而引起了電池的機械變形和結構破壞。在汽車碰撞事故中，電池組可能受到擠壓而發(fā)生變形或被尖銳部件刺穿，從而導致隔膜破壞和電解液泄漏，會直接導致電池發(fā)生內短路而引發(fā)熱失控［14］。當前針對動力電池的機械濫用的研究主要從電池組件（外殼、電極、隔膜和集流體）、單體電池、模組或電池包以及整車層面展開［15］。

電池組內部的電池單體不一致性差異會導致動力電池系統(tǒng)出現(xiàn)電濫用［16］現(xiàn)象（常見的電濫用情況包括過充電［17］、過放電［18］、外短路［12］等）。電濫用會導致電池的正負極活性物質、固體電解質界面（SEI膜）以及電解液等電池內部物質發(fā)生分解，進而釋放出反應熱，危害動力電池的使用安全。

熱濫用一般是指由于環(huán)境溫度過高（例如高溫烘烤等）導致電池過熱，進而引發(fā)電池熱失控的現(xiàn)象。在實際使用的過程中，熱濫用并不會主動發(fā)生，而是由于電池周圍溫度過高（高環(huán)境溫度或由鄰近電池的熱失控引起的高溫）所導致。當熱濫用發(fā)生時，電池系統(tǒng)中會出現(xiàn)熱失控的連鎖反應，導致嚴重火災事故。目前圍繞熱濫用的問題，主要從試驗［19］和建模［20］兩方面進行了研究。

除機械濫用、電濫用、熱濫用等外部濫用會導致電池發(fā)生內短路外，在電池正常循環(huán)充放電使用過程中，其會隨著使用而老化，電池內部出現(xiàn)鋰沉積、電極被結構破壞、電極材料發(fā)生相變、正負極活性材料和電解質發(fā)生分解等［21-24］，導致電池容量衰減和內阻增加，使電池系統(tǒng)安全性能衰退。電池副反應生成的枝晶等尖銳物質還可能會刺穿隔膜導致電池發(fā)生內短路，最終發(fā)生熱失控［25］。

還有一種內短路是由于電池自身的制造缺陷（例如電池內部混入的雜質等）而導致的自發(fā)型內短路，這種情況會伴隨電池的全生命周期，不會突然發(fā)生［13］。

目前，已有大量圍繞電池外部濫用方式、電池老化機理以及熱失控各階段內外行為特征的研究，表1總結了鋰離子動力電池熱失控不同誘發(fā)條件的對比。為提取熱失控特征參數，建立動力電池熱失控風險預測預警機制提供了基礎。但動力電池實際運行條件復雜多變，熱失控可能由于多種誘發(fā)方式共同作用，故研究單一誘發(fā)方式具有一定的局限性。

表1 鋰離子動力電池熱失控誘發(fā)條件對比

2 動力電池安全防護方法

在對鋰離子動力電池熱失控觸發(fā)機制和反應機理研究的基礎上，為預防、阻斷和延緩熱失控的發(fā)生與擴展，最大限度地保障駕乘人員的生命財產安全，從鋰離子動力電池設計階段、熱失控觸發(fā)前以及熱失控觸發(fā)后3個不同階段總結了動力電池安全管控方法，其分類如圖2所示。

圖2 動力電池安全管控流程

在動力電池安全防護方法的研究中，國內外學者主要從電池材料、電池單體和電池系統(tǒng)3個層面展開大量研究。表2對當前電池安全防護設計的研究進展進行了總結。下面將從電池單體（材料、結構）和電池系統(tǒng)（結構、熱管理系統(tǒng)）兩方面進行綜述。

表2 電池安全防護設計

2.1 電池單體安全性設計

電池單體的安全性研究主要按照鋰離子電池的結構展開，從電池的隔膜、正負極材料、電解液以及電池殼體設計幾方面進行大量研究。

在電池運行過程中，隔膜的破壞會引起電池的內部短路，導致電池內部發(fā)生強烈的氧化還原反應，產生大量焦耳熱，引發(fā)電池的安全問題。導致隔膜發(fā)生破壞的因素主要有兩種，一是電池濫用（如沖擊、機械穿透等），二是由于不均勻的鋰沉積導致電池形成鋰枝晶，并隨著循環(huán)次數增加，枝晶逐漸增大并刺穿隔膜［37］。Li等［38］設計了一種3層的電池隔膜，由聚醚醚酮和聚甲基丙烯酸甲酯等物質組成；該隔膜具有良好的抗沖擊性和穩(wěn)定性，中間層可以在電池溫度過高時堵塞膜的孔隙，阻止鋰離子交換反應的發(fā)生。Shi等［39］采用陶瓷涂層包覆或設計具有閉孔效應的隔膜材料來提高隔膜收縮、熔化溫度，增強高溫隔絕，從而提高隔膜的安全性；Pan等［40］制備了一種3層結構的隔膜，在隔膜的表面均勻分布了納米孔，并利用高鋰親和力的材料加速釋放金屬表面張力，進而促進鋰離子的均勻沉積，避免鋰枝晶刺破隔膜而導致安全問題的發(fā)生。

在安全的正極材料方面，Jo等［41］研制了一種熱穩(wěn)定性高的鎳鈷鋁三元鋰離子電池正極材料，通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，該材料比Li［Ni0.8Co0.15Al0.05］O2具有更高的熱穩(wěn)定性。Sasaki等［42］在Li（Ni，Co，Al）O2正極材料中摻雜了Mg，并通過掃描電子顯微鏡和原位同步輻射X射線衍射測量研究了在過充電條件下其結構的變化，其結果表明，在過充電條件下，Mg可使正極材料的穩(wěn)定性增加，微觀粒子不易破裂，提高了鋰離子電池的耐電濫用能力。

固體電解質界面（SEI膜）的溶解會導致鋰離子電池負極的安全問題，當SEI膜在高溫下破裂時，嵌入鋰中的碳材料與電解液發(fā)生反應，產生大量的熱量和氣體，這也是導致鋰離子電池安全性的問題之一。安全的負極可選用一些鋰合金材料例如Li4Ti5O12等，Li4Ti5O12具有無鋰沉積的優(yōu)點，且與石墨相比具有更低的自加熱溫度，在高溫下產生的熱量更少，從而提高了電池的穩(wěn)定性［43］。在電解液中添加添加劑可以提高SEI膜的穩(wěn)定性，Menkin等［44］設計了人工SEI膜，可以使電極的結構更穩(wěn)定，且使電池具有更長的循環(huán)壽命，使鋰離子電池的安全性能得到提升。

構成鋰離子電池電解液的主要材料是鋰鹽和具有揮發(fā)性和易燃性的有機溶劑，也是引起電池熱失控起火爆炸的重要因素之一。提高電解液安全性的方法主要有添加阻燃劑（例如磷酸三甲酯、氟化亞磷酸鹽等）、采用不易燃的電解液以及水系電解液、固體電解液等。Xia等［45］通過合成一種高效阻燃添加劑，在石墨陽極和LiCoO2陰極上表現(xiàn)出良好的電化學相容性，在高壓鋰離子電池中具有廣闊的應用前景。Zeng等［46］研發(fā)了一種不易燃的含氟碳酸鹽濃縮電解質，在硅基電極中表現(xiàn)出較好的電化學性能及安全性。水系電解液具有不燃性，Reber等［47］將雙（氟磺酰亞胺）鹽水溶液作為電解質，發(fā)現(xiàn)高濃度的NaFSI溶液具有更高電導率和穩(wěn)定性，使水系電解液成為有望成為鋰離子電池規(guī)模生產使用的電解液。近年來，固態(tài)電解質由于其本身的特質，可以減少或完全消除泄漏、揮發(fā)以及爆炸的風險，受到廣泛關注。Chen等［48］設計了如圖3所示的鋰離子凝膠電解質，通過將離子固定在納米多孔氧化鋯（ZrO2）支撐的基質中，使ZrO2骨架與Li鹽相互作用，從而促進了Li+的解離和運轉，使電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和放電性能，并具有顯著的高安全性。

圖3 鋰離子凝膠電解質示意圖（（a）固態(tài)電解質示意圖；（b）LiTFSI、ZrO2和ZrO2-LiTFSI的結構及相應的解離能；（c）ZrO2粒子與液態(tài)電解質的相互作用及Li+的輸運路徑示意圖）

除提高電池材料的安全性外，國內外研究者從電池殼體的設計出發(fā)，設計了安全閥、熱熔絲、正溫度系數電極等，確保電池在濫用情況下的安全性能。由于電池在濫用情況下內部會產生氣體，導致內部壓力不斷增加，設計安全閥使氣體溢出，降低了電池爆炸的風險。Kim等［49］設計了一種如圖4所示的采用反向擠壓和壓印工藝制造的安全閥，并進行了破裂試驗，證明了該安全閥具有安全效果。熱熔絲可以在電流超過閾值之后熔斷，但是電壓過高時，熱熔絲的斷開并不會中斷鋰離子電池熱失控反應［50］。在正溫度系數電極方面，Chen等［51］將導電石墨烯涂層的針狀納米結構（納米針狀）鎳顆粒和熱膨脹系數大的聚合物作為電池的電極，可以在異常條件下（如過熱、短路）隔斷并在常溫下恢復正常，展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能。

圖4 安全閥構造以及工作原理

當前針對動力電池單體的安全性設計主要從材料和結構兩方面開展大量研究。在材料開發(fā)方面，使用陶瓷隔膜、在電解液中增加阻燃添加劑等是提高鋰離子電池材料安全性的有效手段；在結構設計方面，增加泄壓閥、熱熔絲等可以防止熱失控的進一步擴散，有效提升動力電池的安全水平。

2.2 電池系統(tǒng)安全防護設計

在動力電池系統(tǒng)安全性的設計方面，研究者開展了新結構電池、電池包結構優(yōu)化和強化設計、過流過壓安全設計、熱管理系統(tǒng)優(yōu)化等方面的研究。

2.2.1 新結構電池

開發(fā)新結構電池成為近年的研究熱點，現(xiàn)有的動力電池包通常由“電芯-模組-整包”的3級結構組成，為提高電動汽車底盤利用率，提高電池能量密度，無模組技術（cell to pack，CTP）已經成為發(fā)展趨勢，例如比亞迪自主研發(fā)的刀片電池［52-54］，如圖5所示。

圖5 “刀片電池”動力電池系統(tǒng)

比亞迪的“刀片電池”采用層壓工藝制造，正負電極首先被裁斷成單片，然后在隔膜上多層堆疊形成極芯，然后采用熱壓的方式將極片與隔膜固定。相比于三元鋰電池，“刀片電池”使用穩(wěn)定性更高的磷酸鐵鋰材料，且“刀片”形狀增大了電池表面與冷卻液和熱交換器的接觸面積，從而使“刀片電池”具有良好的散熱和安全性能。

此外，廣汽埃安開發(fā)了“彈匣電池系統(tǒng)安全技術”（以下簡稱“彈匣電池”）［55-56］，長城汽車開發(fā)了“大禹電池”［57］?！皬椣浑姵亍笔褂萌嚥牧?，通過自我修復的SEI膜、高安全性的電解液以及自聚合高阻抗界面膜降低了熱失控的反應熱；通過在相鄰電池之間增加帶有晶格納米孔隔熱層的電池安全艙，控制了電池溫度的擴散；通過液體冷卻系統(tǒng)、散熱通道和熱傳導通道，使電池的散熱面積提高40%，散熱效率提高30%。長城汽車的“大禹電池”采用三元鋰材料，并通過提高鎳元素的比例實現(xiàn)了更高的能量密度；在結構上，電芯之間使用復合材料，并采用雙向換流將產生的熱量分布到整個電池包上；當電池熱失控時，通過電池防爆閥和氣火流路徑，引導火源迅速至滅火通道排除，以避免熱失控風險的發(fā)生。

2.2.2 電池包結構優(yōu)化

電池包結構優(yōu)化和強化設計主要從電池包結構設計、電池包在整車的安裝、電池單體的排布、整車結構強化以及隔振等方面展開。Yooncheol等［58］基于優(yōu)化設計理論并結合有限元分析設計了具有輕量化、大容量的鋰離子動力電池包結構，該電池包能夠減小電池遭受沖擊后的變形。此外，有學者借助于橫向構件將電池包分成多個電池模組隔室［59］，以及通過有限元模型分析，對電池薄弱部位進行加強［60］等方式提升電池包安全性。特斯拉公司采用如圖6所示的動力電池系統(tǒng)安全防護結構，通過動力電池模塊之間隔板隔斷、動力電池箱與車輛乘員之間增加隔熱層以及火焰方向引導等方法實現(xiàn)了高安全電池箱設計。Xu等［61］設計了一種具有矩形小通道的冷卻管，以防止鋰離子電池熱失控的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，該矩形管無法抑制電池單體發(fā)生熱失控，但可以防止熱失控的擴散。

2.2.3 電池熱管理系統(tǒng)

溫度對鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全性有很大影響，在低溫時電池活性降低，并發(fā)生容量衰減，高溫時產熱加劇，易引發(fā)安全隱患［62］。當電池在25～40℃的溫度范圍內工作時，可獲得最佳的安全性能和最長的循環(huán)壽命［63］，因此需要電池熱管理系統(tǒng)（battery thermal management system，BTMS）來保持電池工作溫度在安全范圍之內。

目前最常見的冷卻方法有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻等?？諝饫鋮s依賴于外部風扇等設備，迫使氣流進入設計管道，通過轉移鋰離子電池產生的熱量，從而進行系統(tǒng)冷卻，是當前可實車應用的最簡單冷卻方法。Hakeem等［64］研究了不同空氣流速和不同電流倍率下動力電池熱管理系統(tǒng)的冷卻性能。研究結果表明，增加空氣流速可有效提高散熱效率，并降低電池間溫差。但在高倍率放電時，僅僅改變空氣流速無法將鋰離子電池的溫度控制在55℃以下［65］，對電池組內的溫度不一致性產生明顯影響，導致溫度升高，造成安全隱患。

與空氣冷卻技術相比，液體冷卻具有更高的導熱性能和更好的熱響應，可使電池組中的溫度分布更加均勻。葉海軍［66］通過搭建電池組與微通道冷板組合的液冷散熱模型來評估電池在不同充放電條件下的散熱性能，研究結果表明增加流道數量可以降低電池組的溫度不一致性，緩解鋰離子電池的熱安全問題，避免熱濫用引起的動力電池組的熱失控。當前液體冷卻主要使用水或乙醇水溶液等液體，導熱性能較差，研究人員通過使用添加劑或改進的冷卻劑來提高冷卻效率，使電池在合適的溫度區(qū)間內工作，以保證電池的安全性能。然而，液體冷卻對電池組的密封要求較高，且管道、流量泵、制冷設備等部件增加了冷卻系統(tǒng)的復雜性。

相變材料（見圖7）可以在升溫時吸收熱量，從而將固體轉變?yōu)橐后w，且具有穩(wěn)定、無毒、不易燃、不易爆等特性，在電池應用中具有巨大的加熱和冷卻潛力［67］。但在低溫下相變材料具有低導熱性且在融化后會產生體積膨脹等問題［68］還亟待解決。

熱管冷卻通過相變傳熱，將電池模塊內的熱量轉移到周圍環(huán)境中，以此來控制電池溫度，并顯著降低電池模塊間的溫差［69］，具有效率高、冷卻性能好的優(yōu)點。脈動熱管（oscillating heat pipe，OHP）由于具有效率高、冷卻性能好以及良好的傳熱特性和環(huán)境適用性等優(yōu)點，在新能源汽車的熱管理系統(tǒng)中具有很好的應用前景［70］。

除單一的冷卻方式外，復合冷卻方式得到大量關注。有學者采用在電池包內填充相變材料（PCM）、水凝膠以及組合材料（例如混合泡沫金屬或膨脹石墨等）的方式，對電池進行快速散熱，以及相變材料與熱管等技術結合的方式，使電池的溫度保持在安全可控的范圍內，有效阻止了熱失控的發(fā)生［71］。

3 動力電池安全預測與預警

3.1 動力電池熱失控早期報警方法

鋰離子電池的熱失控潛在誘因多，演變規(guī)律復雜，在事故發(fā)生前具有很強的隱蔽性，因此研究熱失控的準確和早期報警是提高動力電池系統(tǒng)安全性的重要手段。當熱失控發(fā)生時，電池參數（如溫度、電壓和電流以及產生的氣體濃度等）都會發(fā)生變化，因此將變化的電池參數作為熱失控的識別參數，研究動力電池熱失控發(fā)生前短期內行為特性的演變過程，可為研究熱失控早期報警機制提供重要的研究依據［73］。

熱失控的早期預警方法可以分為3類：（1）通過電池外部參數（如電壓、電流和溫度等）進行熱失控的報警；（2）通過電池的內部狀態(tài)的預測對熱失控進行預警；（3）基于電池內部產生氣體檢測的預報警方法。Li等［74］將電阻溫度傳感器（resistance temperature detector，RTD）放置于電池電極集流體后，以承受惡劣的電化學環(huán)境，且通過建立溫度預測模型來對電池表面溫度進行預測，以此對電池熱失控進行早期預警，避免起火事故的發(fā)生。通過光纖布拉格光柵傳感器（fiber bragg grating，F(xiàn)BG）對電池內部狀態(tài)進行間接測量成為一種新的動力電池熱失控報警思路［75-76］。美國帕羅奧多研究中心公司PARC（Palo Alto Research Center，Inc.）［77-78］設計了嵌入電池內部的光纖傳感器（圖8），光纖的折射率、折射光波長會隨電池內部應力和溫度變化而變化，以此來達到電池熱失控報警的目的。美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室［79］提出了一種基于電池內部狀態(tài)的快速阻抗相移監(jiān)測方法的熱失控早期預警方法，其實驗結果表明，該方法可以比電池表面溫度監(jiān)測方法更有效地進行熱失控早期預報警。

圖8 嵌入電池內部的光纖傳感器（（a）電池單體嵌入光纖傳感器示意圖；（b）嵌入光纖傳感器實物圖）

在熱失控早期，溫度和電壓等特征參數的變化仍不明顯，但卻可以檢測到電池內部副反應產生的大量氣體物質。Larsson等［80］通過電池的熱濫用實驗發(fā)現(xiàn)電池發(fā)生熱失控之前會釋放出煙霧和氣體（如HF、CO等），并可用通過紅外光譜氣體測量儀進行檢測，故利用氣體檢測傳感器檢測氣體的產生是實現(xiàn)動力電池熱失控報警的一種有效方法。Fernandes等［81］提出基于氣體檢測裝置的電池熱失控早期預警技術，利用高分辨率的氣體檢測裝置，實時監(jiān)測了26650型LiFePO4鋰離子電池從正常狀態(tài)過充電至熱失控狀態(tài)過程中會產生大量碳酸二甲酯（DMC）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、碳酸甲乙酯（EMC）、甲烷（CH4），以及有害氣體CH3OCH3、CH3OCHO、C2H4等，且電池的產氣速率急速上升，可實現(xiàn)電池熱失控的及時報警。美國Nexceris公司［82］公布了一項基于氣體監(jiān)測的鋰離子電池熱失控自動報警系統(tǒng)的發(fā)明專利，該系統(tǒng)可以監(jiān)測電解質反應所產生的氣體，以此作為熱失控早期預報警信號。其結果顯示，該技術可以在熱失控達到峰值前7～8 min實現(xiàn)報警，比溫度傳感技術早7.4 min。Raghavan等［83］在電池內部布置光纖傳感器，通過檢測輸入電池的光線在不同濃度氣體下的光電信號，來檢測電池內部狀態(tài)，可以實現(xiàn)電池熱失控早期的報警。

理論上，通過電池內部氣體監(jiān)測技術可以提高熱失控的預報警效果，但該種預測手段對電池封裝技術要求高，須保證傳感器的檢測分辨率、耐高溫能力，且解決電池內部氣體之間干擾的問題。因此，受限于傳感器精度和電池的封裝工藝，上述的熱失控預報警技術目前并不適合在動力電池系統(tǒng)上大規(guī)模應用?；陔姵貎炔繝顟B(tài)預測的預報警方法在實際使用過程中，易受到運行工況、外部環(huán)境等因素的影響，難以進行準確估計電池內部狀態(tài)。基于電池溫度、電壓和電流等外部參數的預報警技術具有時間短的缺點，如何進一步實現(xiàn)長時間尺度熱失控預報警還須進一步深入研究。

3.2 基于運行大數據的動力電池安全預警方法

在熱失控早期預報警技術的基礎上，研究對新能源汽車電池系統(tǒng)長時間尺度的預警，不僅是保護駕乘人員生命財產安全的關鍵，也是促進新能源汽車市場健康發(fā)展的重要保障。隨著新能源汽車智能化和網聯(lián)化程度的提高，車載信息系統(tǒng)的功能越來越全面，在車輛的日常運行過程中會產生大量的結構化、非結構化以及歷史數據等［84］，這給新能源汽車的安全風險預警提供新思路。

在實際運行大數據驅動的動力電池熱失控預測預警方面，國內外研究人員開展了大量研究。孫逢春等［85］和沈陽［86］都相繼開展了電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計的研究，吳建榮［87］設計了電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)并基于該系統(tǒng)進行了動力電池安全方面的研究，袁弘等［88］通過云計算技術和車載終端設計了電動汽車安全預警系統(tǒng)，通過行駛過程中電池的真實數據實現(xiàn)電池安全風險的預警，及時發(fā)現(xiàn)電池安全隱患。經過多年發(fā)展，在新能源汽車領域，上汽、北汽、吉利等車企在工信部的政策指導下搭建了大數據平臺，北京理工大學王震坡等主持建設了新能源汽車國家監(jiān)測與管理平臺，以實際車輛運行數據為基礎，開展了新能源汽車安全風險預警的研究，如圖9所示。目前基于新能源汽車大數據平臺制定了動力電池系統(tǒng)3級預報警機制，并設定了相應的觸發(fā)閾值，現(xiàn)已成功應用于全國電動汽車運行監(jiān)控系統(tǒng)。

圖9 大數據下的動力電池安全風險預警

電池單體成組后的單體不一致性是導致電池系統(tǒng)安全性問題的根源之一。由于電池的生產工藝以及在使用過程中環(huán)境等不可控因素的影響，會使動力電池組內的電池出現(xiàn)剩余容量差異過大的問題，進而在充放電過程中，出現(xiàn)過充電和過放電等電濫用現(xiàn)象，直接影響動力電池系統(tǒng)的安全性，且電壓極差是動力電池系統(tǒng)安全性的重要影響因素［89］。因此，圍繞動力電池組的不一致性問題進行預測分析，提前發(fā)現(xiàn)異常電池單體，是進行動力電池安全風險預警的一種有效手段。Liu等［90］提出了一種基于熵值理論的電動汽車電壓安全風險實時識別機制，并通過熵權重法來計算客觀權重，其結果表明，可有效識別出電池電壓的異常風險。Wang等［84，91-93］基于新能源汽車實時運行數據，結合信息熵方法，提出了動力電池系統(tǒng)安全風險的預測方法，可以對電壓以及溫度的異常進行熱失控的診斷和預警，其驗證結果表明該方法可準確預測電池系統(tǒng)內電壓或溫度異常，且對異常單體進行定位。

Richardson等［94］建立了電池容量衰退模型，可以預測各種使用場景下的容量衰減；盧明哲［95］基于實驗室數據和電池在線數據，采用SVM方法估計電池內阻等參數的變化趨勢，對動力電池運行過程可能出現(xiàn)的安全風險進行預測。Gan等［96］將實驗數據與電動車輛的實際運行數據相結合，通過實驗數據建立了鋰離子電池過放電安全風險的評估與預測模型，選取放電過程中影響電壓的特性參數作為模型的輸入，并通過實際運行的電動汽車數據驗證了該方法可有效檢測電池過放電安全風險。Zhao等［97］提出了一種基于大數據統(tǒng)計方法的新能源汽車安全預警方法，通過機器學習算法和3σ多級篩選策略（3σ-MSS）對電池系統(tǒng)中電壓異常的單體進行篩選，并通過實車數據進行了有效性驗證，為開展大數據技術動力電池系統(tǒng)潛在風險預測的研究提供指導。

將大數據分析和人工智能算法相融合，研究動力電池安全預警技術，可以為全面提升我國新能源汽車的運行安全水平打下堅實的基礎，并為全球新能源汽車產業(yè)的發(fā)展提供動力。目前，大數據分析技術已經初步應用于電池系統(tǒng)安全風險預測、預警和衰退分析預測，但由于數據稀疏、特征參數耦合和電池強非線性等問題的限制，如何進行安全風險預警技術的工程化驗證及應用，仍須進一步研究。

4 動力電池熱失控被動控制與防護

當鋰離子電池單體的熱失控不可避免時，須及時對著火的電池單體進行隔離并滅火，以避免熱失控單體引起的高溫導致相鄰電池發(fā)生熱濫用，進而導致單體熱失控在整個電池包的擴展，引發(fā)嚴重的火災或爆炸，且釋放出可燃、可爆和有毒煙霧。電池熱失控導致的火災具有危害大且不可控、易發(fā)生蔓延和復燃的特點，因此開展熱失控的隔離和滅火研究，對減緩火災的蔓延、控制熱失控產生的危害以及提高鋰離子電池的被動安全性十分重要。

4.1 熱失控擴散隔離

通過使用隔離裝置，可以抑制熱失控擴展速率，從而降低整車熱失控的概率，當前熱失控的隔離裝置主要從材料和結構兩方面開展研究。

在阻燃防護材料開發(fā)方面，Larsson等［98］通過建立如圖10所示的熱失控擴散模型對不同厚度的鋁和玻璃纖維兩種阻燃材料進行研究。研究結果表明，阻燃材料的厚度增加可更好地防止熱失控的擴散，但厚度的增加會阻礙電池的散熱，故如何平衡兩者之間的關系對熱失控的擴散控制十分重要。Yuan等［99］把石墨復合材料和鋁作為阻燃材料來進行熱失控擴散抑制的研究，并驗證了其有良好的抑制熱失控擴散效果。高飛等［100］制備了以三元乙丙橡膠為基體的阻燃防護材料，該材料可以隔離電池單體爆燃時釋放出的熱量，控制電池單體殼體表面溫度不超過50℃，進而阻斷了熱失控在電池系統(tǒng)內的擴散。李向梅等［101］就三元乙丙橡膠對鋰離子電池熱失控過程中的阻燃效果進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，采用3 mm的三元乙丙橡膠阻燃熱防護材料可以起到有效的阻燃作用。楊凱等［102］設計了由硅酸鹽骨料、水玻璃、硅溶膠等多種材料復合的隔離材料，該材料在電池熱失控時具有阻燃與隔熱的效果，而在低溫時具有一定的散熱性，可以不影響電池的正常散熱；且為防止電池膨脹而導致隔離材料結構被破壞，在材料中增加了增強纖維，經過實驗驗證了該材料可以有效抑制電池熱失控的蔓延。

圖10 不同熱失控阻燃材料對熱失控的阻隔效果（（a）熱失控擴散模型；（b）熱模型中不同位置溫度情況；（c）不同厚度阻燃材料對溫度的影響（鋁和玻璃纖維））

在結構優(yōu)化設計方面，F(xiàn)eng等［103］通過建模的方式對大容量鋰離子電池熱失控的擴展情況進行研究，提出了提高熱失控觸發(fā)溫度、減少熱失控過程中的放熱能量、提高散熱水平和在電池單體間增加隔離層等阻止熱失控擴展的措施。特斯拉在結構優(yōu)化方面發(fā)表了大量專利，通過設計由一個或多個間隔器組成的電池支架［104］，使電池在預定位置發(fā)生熱失控，降低對相鄰單體的影響，降低了熱失控擴散的風險；且在電池組中設置熱隔離器件［105］，采用將電池組分區(qū)的方式，控制熱失控發(fā)生后不擴散，其中的熱隔離器件由高導熱層與低導熱層組成，可與液冷等散熱方式耦合，通過隔熱與散熱相結合的策略抑制熱失控的擴散。Hu等［106］在電池模塊殼體內放置由導熱層和保溫層構成的復合導熱板，來防止熱失控傳播。

4.2 電池滅火方式

鋰離子動力電池引起的火災，一般具有持續(xù)時間長、溫度高、耗水量大、滅火難度大等特點，且滅火劑無法中斷電池內的連鎖放熱反應，滅火劑釋放后電池溫度繼續(xù)上升，會導致電池復燃，因此滅火劑的選擇對保證電池防護安全十分重要。

劉昱君等［107］比較了ABC干粉、七氟丙烷、水、全氟己酮和CO2的滅火效果。結果表明，使用這4種滅火劑可以有效撲滅電池熱失控引起的明火，其中水的溫升抑制作用最好，而CO2熄滅明火后會發(fā)生復燃。Luo等［108］通過大量針刺引起的火災實驗，比較了不同滅火劑的滅火效果，發(fā)現(xiàn)含添加劑細水霧滅火系統(tǒng)的滅火效果明顯。Zhu等［109］通過在純水中加入一定比例的表面活性劑，研究表明添加表面活性劑細水霧在短時間內降低了爆炸過程中產生的溫度，可以有效減緩熱失控的擴散，減緩了爆炸過程的進行。郭莉等［110］驗證了不同壓強的細水霧對電池模組熱失控的滅火效果，得到10 MPa以下的細水霧壓強與滅火時間呈反比關系，且隨壓強增大，細水霧的包絡性、絕緣性能增強，滅火速率和降溫速率均提高，但同時成本也會增加。在不同壓強的細水霧中，6 MPa及以上細水霧滅火效果更好。姜乃文［111］對不同功率等級、不同數量、不同排列方式的鋰電池進行了燃燒實驗與細水霧滅火實驗，詳細分析了鋰電池熱失控的原因以及鋰電池火災的細水霧抑制機制。于東興等［112］對七氟丙烷的滅火效果進行研究，證明10%濃度的七氟丙烷可有效撲滅電池火災中的明火；且將熱失控電池浸沒在七氟丙烷中20 min內未發(fā)生復燃，保證了熱失控產生的氣體不足以被引燃，為專用滅火裝置的研究奠定基礎。

4.3 車載動力電池滅火系統(tǒng)

除傳統(tǒng)的熱失控隔離和滅火措施外，將人工智能以及嵌入式系統(tǒng)運用到電動汽車的熱失控防護問題上，是當前研究的重要方向，如圖11所示。長安大學在智能滅火方面開展了大量研究［113-114］，張緒祥設計了基于SVM分類器的鋰電池艙火災預警及滅火系統(tǒng)，通過電池艙的溫度和煙霧濃度作為特征對是否起火進行識別，將發(fā)生火災的可能性以概率的方式輸出；在識別到火災之后通過氣溶膠作為滅火劑進行滅火，實現(xiàn)對電池艙火災的預警與控制；劉煜研制了一種車載鋰電池艙智能滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于貝葉斯網絡，用溫度、煙霧等參數實現(xiàn)對火災的多方位監(jiān)控，并通過干粉滅火劑對熱失控的電池進行滅火處理。趙黎華等［115］提出并設計了一套具有自動滅火裝置的鋰動力電池環(huán)境性能實驗箱，采用七氟丙烷滅火劑進行滅火。胡振愷等［116］將電池的報警和滅火方法相結合，開發(fā)了火災報警系統(tǒng)和分階段報警策略，并在七氟丙烷滅火系統(tǒng)的基礎上開發(fā)了水噴淋滅火系統(tǒng)，并添加到系統(tǒng)中測試系統(tǒng)的有效性。

圖11 車載動力電池滅火系統(tǒng)

當前對于熱失控擴散控制方面的研究主要從材料和結構兩方面開展，熱失控隔離裝置的隔熱性能和厚度對熱失控擴散的控制效果有直接影響，但電池的隔熱與散熱是相互矛盾的，與電池的熱失控隔離形成的封閉空間不同，電池散熱需要一個開放的空間，如何做到電池隔熱與散熱之間的平衡是須深入研究的問題。對滅火劑的研究主要是通過滅火介質熄滅電池熱失控產生的明火，降低電池表面溫度，減緩熱失控電池的擴散速度，進而減少電池包內發(fā)生大規(guī)模熱失控的可能性。

滅火劑的冷卻效果與其防止電池復燃的能力呈正相關。然而，由于電池類型和安全性的差異，目前沒有一種滅火劑可以適用于所有類型的電池火災，故設計開發(fā)新型的滅火劑，可以為提升動力電池的安全性和可靠性提供必要的技術保證。智能滅火系統(tǒng)主要通過各種傳感器對電池燃燒的產物進行識別，但在車輛的實際行駛過程中，外部環(huán)境對傳感器的影響不可忽略，提高系統(tǒng)對熱失控識別的準確度，將電池熱失控的隔離裝置以及有效的滅火劑與車載智能滅火系統(tǒng)相結合，將是電池熱失控被動防護的主要發(fā)展方向。

5 結論

綜上所述，國內外研究人員在動力電池熱失控機理和熱失控安全管控研究等方面取得了階段性進展。但熱失控具有反應時間短、危險程度高、特征參數耦合的特點，現(xiàn)有的電池安全防護方法、安全預測預警方法和被動控制與防護都無法完全避免熱失控事故的發(fā)生，不能滿足人們對新能源汽車的安全需求。將動力電池在設計、使用和熱失控后不同階段的防護方法相結合，構建動力電池全生命周期安全風險管控理論體系，是動力電池安全管控技術的發(fā)展方向。

本文在回顧和總結動力電池安全風險管控技術最新研究進展的基礎上對未來的發(fā)展方向進行展望，以促進新能源汽車動力電池安全風險管控技術的成熟，并實現(xiàn)其在新能源汽車產業(yè)中的應用。

（1）隨材料技術的進步和電動汽車對續(xù)航里程的追求，鋰離子動力電池廠商致力于使用鎳鈷錳（NCM）、鎳鈷鋁（NCA）等三元材料提高動力電池的能量密度，但三元材料的鋰離子動力電池具有熱觸發(fā)溫度低、產熱速率高以及熱失控后不易滅火等缺點，其安全性能的缺陷亟待解決，目前通過使用表面改性處理的隔膜材料（如陶瓷隔膜），來提高三元材料動力電池的安全性，已成為行業(yè)共識。電解質安全研究的重點集中在阻燃添加劑和離子液體等方面，其中由于固體電解質和凝膠電解質在能量密度、壽命和安全性方面的良好特性，逐步成為未來電池材料安全領域發(fā)展的重要方向。

（2）在三元鋰電池安全隱患尚未解決前，通過無模組技術提高空間利用率，在不改變磷酸鐵鋰電池材料的前提下最大程度提高電池的比能量密度，開發(fā)如“刀片電池”等新結構電池已成為動力電池系統(tǒng)安全性設計的發(fā)展趨勢。電池包結構安全設計方面，可通過改進電池單體排布、強化電池包以及整車的結構等方式有效避免電池包因沖撞變形而導致的熱失控。對于電池工作中產生的熱量，目前常用的散熱方式主要是風冷和液冷，但空氣冷卻的主要缺點是在大功率充放電時對溫度的控制效果不理想，液體冷卻會增加車輛的整備質量，占據有限的電池空間而影響續(xù)駛里程。因此，使用效率高、冷卻性能好的熱管冷卻和相變材料冷卻將電池溫度保持在安全可控的范圍內，是當前電池熱管理系統(tǒng)的研究熱點。

（3）在動力電池的被動防護方面，材料更新和結構優(yōu)化是當前熱失控阻隔裝置設計的兩個重要方向，如何平衡好隔熱與散熱之間的關系，對熱失控的有效隔離十分關鍵。七氟丙烷、全氟己酮、細水霧等均可熄滅電池的明火，但目前并沒有一種適用于所有外部環(huán)境、電池狀態(tài)以及電池材料的最佳滅火劑。隨著電氣化水平的不斷提高，將電池熱失控阻隔裝置和有效的滅火劑與車載智能滅火系統(tǒng)相結合，提高智能滅火系統(tǒng)對熱失控識別的準確度，將是電池熱失控被動防護的主要發(fā)展方向。

（4）在當前的動力電池安全管控方法中，通過安全預測與預警技術在電池熱失控前進行主動干預，是實現(xiàn)電池安全從被動防護到主動管控的重要環(huán)節(jié)。將電池電壓、電流、溫度以及副反應釋放的氣體成分作為電池安全風險預測的參數是可行的方案，但是具有預測指標單一、報警時間短等缺點。目前，基于實車運行數據的大數據分析已部分應用于動力電池的安全風險預測和預警，但由于實車數據具有數據稀疏、非線性強等問題，基于實車大數據的安全風險預警和實車驗證需要更深入的研究。在人工智能、大數據、云計算等技術蓬勃發(fā)展的當下，通過實車多維度海量運行數據，提高數據模式識別能力，研究實車動力電池運行數據中與安全相關的特征參數演變規(guī)律、耦合關系以及各影響因素間的解耦方法，實現(xiàn)熱失控潛在風險研判、安全風險提前預測和預警，是動力電池安全風險管控技術的重要發(fā)展方向。