熱失控的防范措施綜述
電芯的熱失控是不能完全避免的，電池研究者的主要目標(biāo)是通過電芯材料的改進(jìn)、電池生產(chǎn)工藝的提高來降低電芯發(fā)生熱失控的概率，通過電池組及電池系統(tǒng)的設(shè)計來降低熱失控和熱擴(kuò)散發(fā)生的頻率，同時在熱失控發(fā)生后，研究延長電芯熱失控連鎖反應(yīng)的時間以及降低熱失控發(fā)生后的危險性，為駕駛員及乘客提供足夠長的逃生時間。電芯的熱失控?zé)o論是外因還是內(nèi)因引起，通常的源頭是電池包中局部電芯，單個電芯熱失控發(fā)生后，逐漸產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，引發(fā)附近電芯接連失控，最終導(dǎo)致安全事故發(fā)生。熱失控的過程如下圖所示，
燃燒的三要素是可燃物、助燃物以及著火源，避免著火。所以，防止熱失控的方法主要就從切斷熱失控發(fā)生的過程，以及避免打造著火燃燒等方面考慮。二者也是相輔相成的。
在此從電芯、電池系統(tǒng)兩方面分析降低熱失控發(fā)生的概率，以及熱失控發(fā)生后的檢測和處理方法。
1 從電芯角度降低熱失控風(fēng)險
1.1 鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)生的主要規(guī)律
歐陽明高等人總結(jié)出了鋰離子電池?zé)崾Э剡^程的三個共性特征溫度{T1,T2,T3}和一個關(guān)鍵參數(shù)：最大溫升速率max{dT/dt}。其中，T1代表電池產(chǎn)生自生熱起始溫度，一般對應(yīng)著石墨負(fù)極的表面SEI膜分解。T2對應(yīng)電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)溫度，在此溫度下dT/dt由緩慢上升轉(zhuǎn)變?yōu)榧眲∩仙稍黾訋讉€數(shù)量級，T2觸發(fā)反應(yīng)包括：1）隔膜失效引發(fā)的劇烈內(nèi)短路；2）三元正極釋放活性氧；3）充電不當(dāng)引起的電池負(fù)極表面析鋰。T3對應(yīng)絕熱失控測試中獲得的電池?zé)崾Э刈罡邷囟?。而max{dT/dt}為電池?zé)崾Э剡^程中的最大放熱率，統(tǒng)計結(jié)果表明，與電池的能量密度正相關(guān)。單體電池?zé)崾Э胤揽氐哪繕?biāo)就是提升T1和T2，降低T3和max{dT/dt}。
鋰離子電池?zé)岱磻?yīng)，100℃左右時，SEI開始分解，120℃左右時，負(fù)極開始與溶劑，粘接劑反應(yīng)，150℃左右時，電解質(zhì)開始分解，200℃-300℃開始發(fā)生副反應(yīng)，250℃-350℃時，嵌鋰態(tài)負(fù)極開始發(fā)生反應(yīng)。
熱失控發(fā)生時，各種材料相繼發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱量，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)效應(yīng)，使得電池體系內(nèi)部溫度快速升高；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中，電解液氣化及副反應(yīng)產(chǎn)氣造成電池體系內(nèi)壓力升高，電池噴閥破裂后，可燃?xì)怏w被點燃發(fā)生燃燒反應(yīng)。正極釋放的氧氣不足以使易燃電解液完全燃燒，在熱失控過程中，電池內(nèi)部不會發(fā)生燃燒。電池噴發(fā)是外部冒煙、起火和爆炸的必要條件。在電芯層面防止熱失控，主要是對電池設(shè)計及電極材料等進(jìn)行改進(jìn)，降低電芯的熱失控幾率。
1.2 電芯結(jié)構(gòu)的方面的措施
電芯結(jié)構(gòu)主要影響發(fā)生熱失控時電芯的噴發(fā)狀態(tài)以及噴發(fā)的物質(zhì)量，有的電芯噴發(fā)時僅是泄氣閥打開，持續(xù)向外噴發(fā)氣體及少量液體，有些則會連通電芯材料一起爆噴出來。對于沒有泄壓閥的軟包電池，一旦電池內(nèi)部壓力增加，氣化后的溶劑很容易從電池內(nèi)噴出，而帶有泄壓閥的硬殼電池可以維持一段時間，直到電池內(nèi)部壓力大于泄壓閥的開啟壓力。因此，軟包電池的噴發(fā)溫度接近碳酸酯溶劑的沸點溫度，而硬殼電池的噴發(fā)溫度更高，在氣體耗盡之前，電池將處于鼓脹的狀態(tài)。由于軟包電池噴發(fā)時的壓力低，其相應(yīng)的噴發(fā)量要少。方形電芯承受壓力較高，內(nèi)壓升高時電芯也會發(fā)生鼓脹，泄壓閥開啟，發(fā)生持續(xù)噴發(fā)。目前針對軟包和方形電芯的結(jié)構(gòu)改進(jìn)較少，主要在圓柱電芯。圓柱電芯壓力最高，發(fā)生爆噴的概率高，為降低其噴發(fā)量，21700電芯在電芯兩端均設(shè)計了泄壓裝置，內(nèi)壓升高時可以兩端同時泄壓，可以有效降低噴發(fā)量。外殼厚度對噴發(fā)量也有影響，厚度較大的外殼噴發(fā)量少一些?？扇?xì)怏w一旦從電池內(nèi)噴發(fā)出來，就將觸及“火三角”的三要素。
在電芯內(nèi)部加入熱響應(yīng)材料，通過增加電池電阻、阻斷離子運輸通道或釋放毒化試劑等途徑來抑制電芯熱失控的發(fā)生。如PTC材料，可以直接與電極混合使用，或涂敷于在電極表面，具有溫敏特性的有機(jī)材料也可以作為熱響應(yīng)材料。有研究者往電池內(nèi)部植入熱響應(yīng)有機(jī)材料構(gòu)成的微球，可以在高溫下發(fā)生熔化并覆蓋在電極表面，阻斷了離子輸運通道。另外，還可以開發(fā)電池“毒化劑”，用于中和正極和負(fù)極的反應(yīng)活性，減少熱失控過程中釋放的熱量。許多圓柱電芯帶有PTC裝置，但電池內(nèi)阻增加比較大，影響電池的功率性能，并增加了正常應(yīng)用條件下的產(chǎn)熱。
“自毀電池”可能有望用于降低熱失控釋放總能量和放熱速率。部分研究者在“自毀電池”的方向上做了一些研究工作，包括：1）使用熱刺激響應(yīng)的聚合物材料來阻斷正負(fù)極直接接觸發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)；2）通過集流體的結(jié)構(gòu)設(shè)計隔離局部熱失控失效區(qū)域，以阻止熱失控在單體內(nèi)的蔓延。斯坦福大學(xué)劉凱等人提供了一個“自毀電池”設(shè)計：把防火劑裝進(jìn)微型外殼后，通過靜電紡絲技術(shù)植入隔膜中，當(dāng)電池發(fā)生熱失控導(dǎo)致溫度升高時，外殼則會受熱熔化，防火劑噴出釋放，抑制電池燃燒。也有專利介紹在圓柱電池極組卷芯中間插入裝有滅火劑或制冷劑的裝置，電芯內(nèi)部發(fā)生熱失控時，裝置發(fā)生作用起到滅火降溫的作用。
1.3 電芯材料方面的改進(jìn)
（1） 正極材料
采用相同負(fù)極、電解液、相同結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰電池、三元電池、錳酸鋰電池相比較，磷酸鐵鋰電池安全性要好得多，所以，正極是影響電芯熱失控安全的主要因素，尤其是在滿充電狀態(tài)下的正極。正極的改善是規(guī)避電芯熱失控的短板。 正極不穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在滿充狀態(tài)下分解產(chǎn)氧，不同種類的滿充正極材料在高溫下的產(chǎn)氧差異，如下圖：
從圖中可以看出，磷酸鐵鋰、錳酸鋰的分解溫度比較高，同時產(chǎn)氧量非常少。對于高鎳三元和鈷酸鋰而言，在高溫滿電狀態(tài)下大量產(chǎn)氧是難以避免的，包覆、減小比表面積等處理方法有些許改善，但無法從根本上提高材料的安全性能。當(dāng)三元正極材料Li(NixCoyMnz)O2中的鎳含量x超過0.8時，其熱穩(wěn)定性會急劇下降，在高溫下釋放大量的氧氣，降低電池?zé)釣E用抗性。將正極材料的二次顆粒結(jié)構(gòu)從多晶提升為單體顆?？梢哉龢O顆粒表面積，會有助于延后正極的分解釋氧。
提高安全性的方法大多集中在包覆、摻雜等。北理工李麗教授在材料表面構(gòu)建（NH4）3AlF6包覆層，減少正極材料與電解液之間的副反應(yīng)，提高Li1.2Ni0.2Mn0.6O2電池體系的循環(huán)穩(wěn)定性與熱安全性，提升電池的最大可逆容量和循環(huán)性能。許多廠家將高鎳三元材料與錳酸鋰或磷酸鐵鋰等材料混用，提高電池的安全性能。
（2） 負(fù)極材料
負(fù)極材料不是影響熱失控的主要因素。所做的工作主要是避免金屬鋰在電芯表面的沉積形成枝晶而引起電芯短路或微短路，或者提高負(fù)極表面SEI膜的穩(wěn)定性。韓國蔚山國立科技大學(xué)Sang-Youmg Lee教授利用電導(dǎo)梯度（CG）系統(tǒng)，能夠作為抑制鋰在集流體表面沉積，同時實現(xiàn)高能量密度的有效策略。CG系統(tǒng)由導(dǎo)電性高的底層、電絕緣的頂層和具有濕度導(dǎo)電的中間層組成。
負(fù)極表面析鋰，同時高溫下電解液分解，電芯的安全性將大大降低。提高安全性的一個方法就是提高負(fù)極表面SEI膜的穩(wěn)定性，特殊的電解液添加劑可以提升負(fù)極表面SEI膜的熱穩(wěn)定性，同時可以幫助形成均勻的SEI膜，以抑制負(fù)極鋰枝晶生長。負(fù)極表面包覆Al2O3涂層同樣有助于抑制鋰枝晶生長，但研究表明，金屬鋰仍然可以在負(fù)極表面和涂層之間沉積。
（3） 電解液
電解液的研究主要集中在阻燃性方面的研究以及提高其熱分解溫度等。添加阻燃劑或直接使用不燃電解液有助于抑制起火，阻燃電解液主要可分為兩大方向，一個是將溶劑中原有的低閃點線狀酯改為環(huán)狀酯（同時可能也需要變更鋰鹽），一個是在溶劑中加入阻燃添加劑，主要有磷系、鹵系和復(fù)合阻燃劑幾大類。但阻燃劑可能會對電池的容量和循環(huán)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。采用本征不可燃的固態(tài)電解質(zhì)（包括聚合物、氧化物和硫化物等固態(tài)電解質(zhì)）取代原來的可燃碳酸酯類有機(jī)溶劑，是解決與電解液相關(guān)的電池安全問題的終極方案。除固態(tài)電解質(zhì)外，開發(fā)安全的溶劑、添加劑和鋰鹽（如氟化電解質(zhì)）等也有助于降低電解液的可燃性。
斯坦福大學(xué)崔屹教授等提出合理摻入–CF2–單元產(chǎn)生氟化1,4-二甲氧基丁烷作為電解質(zhì)溶劑，與1 M 雙（氟磺?；啺蜂嚺鋵κ褂脮r，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和高安全性。日本東京大學(xué)EiichiNakamura等設(shè)計并合成了一種用于鋰離子電池的氟化環(huán)狀磷酸鹽溶劑，這種溶劑分子具有環(huán)狀碳酸鹽結(jié)構(gòu)，可以形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面和能夠捕獲氫自由基的有機(jī)磷酸鹽，使石墨陽極和高壓正極都能穩(wěn)定地工作，性能優(yōu)于傳統(tǒng)電解液。
（4） 隔膜
隔膜高溫收縮引起電池內(nèi)部短路是熱失控擴(kuò)散的主要原因。高穩(wěn)定型隔膜，如陶瓷涂覆隔膜、氮化硼涂覆隔膜，可以在高溫下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不發(fā)生崩潰，減小其收縮程度，提升電池到達(dá)熱失控狀態(tài)所需溫度，有助于提升電池的T2穩(wěn)定性。另外，在電極或隔膜上涂覆熱刺激響應(yīng)的聚合物材料，可以在特定溫度下切斷短路回路，降低熱失控風(fēng)險。自修復(fù)型智能隔膜可以用于抑制電池內(nèi)部鋰枝晶的生長。在隔膜中嵌入SiO2納米顆粒，使之與刺入隔膜的鋰枝晶發(fā)生反應(yīng)消耗鋰枝晶。研究者還發(fā)明了三明治夾層結(jié)構(gòu)的隔膜，可以對由枝晶生長引起的內(nèi)短路進(jìn)行檢測。
1.4 電芯生產(chǎn)工藝控制
電芯的最終性能高低是由原材料來決定的，但電芯的質(zhì)量是由生產(chǎn)來決定的。一輛電動汽車要用到大量的電芯。電芯一致性的好壞、長期工作的性能穩(wěn)定性等受生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)工藝等制約。
6σ過程控制允許每百萬只電池故障概率3.47。每輛車按500只電池計算，故障概率為1.74‰，由于需要較高的能量，大多數(shù)電動汽車用的電池數(shù)量要遠(yuǎn)超500至，用圓柱小電芯的甚至要達(dá)到上萬只。其實際故障概率會更高。
電芯生產(chǎn)方面主要包括以下幾方面：
（1） 生產(chǎn)環(huán)境的控制
每個生產(chǎn)工序的環(huán)境要求都不一樣，但對于鋰離子電池生產(chǎn)來說，環(huán)境控制無論怎樣嚴(yán)格都不過分。主要控制溫度、濕度、粉塵。大部分環(huán)境因素的影響在電芯壽命初期不能顯現(xiàn)出來，如濕度，初期可能沒那么大的影響，但會逐漸降低到電芯的自發(fā)熱起始溫度?？床坏降姆蹓m會使電池在使用過程中的內(nèi)部微短路概率增加。
（2） 工藝的影響
電芯的生產(chǎn)工藝都是經(jīng)過長期驗證確定下來的，通常不會發(fā)生變化。但在新工藝的導(dǎo)入方面一定要引起注意，許多工藝在電芯層面即使長期驗證也不會發(fā)現(xiàn)問題，但經(jīng)過電池組長期應(yīng)用出現(xiàn)問題，反推分析會發(fā)現(xiàn)是新工藝的問題。電芯生產(chǎn)方面許多在生產(chǎn)設(shè)備不能保證的情況下，采用先進(jìn)的檢測監(jiān)控手段，來剔除有隱患的半成品或成品、材料，例如極片生產(chǎn)中厚度的在線檢測、電芯極組的X射線觀察、焊接過程的圖像對比等。每一個工藝過程均需進(jìn)行詳細(xì)分析、驗證，如不同焊接方式可能造成的影響等。
（3） 電芯分選
在目前生產(chǎn)品質(zhì)情況下，電芯分選還是不必可少的，各個廠家的分選工藝各有特點，但各自的出發(fā)點不同，電芯廠家希望有更多的電芯達(dá)到合格，PACK廠家希望跟嚴(yán)格，能夠盡量把可能存在隱患的電芯均剔除出來，所以，PCAK廠從電芯廠采購回來的電芯，通常還要再進(jìn)行分選。分選方法注意要不能增加電芯安全隱患程度，不能影響電芯性能，更不能破壞電芯。
2 電池系統(tǒng)層面的防控措施
系統(tǒng)層面的防范措施主要是防止熱擴(kuò)散，阻止外部氧氣的持續(xù)提供，以及減低由于外部因素如機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用等外部因素引發(fā)的熱失控。
2.1熱隔離
電芯出現(xiàn)熱失控，避免出現(xiàn)熱擴(kuò)散的連鎖反應(yīng)，有效方法一個是散熱，將熱失控電芯的熱量盡快散發(fā)出去或者將相鄰電芯的熱量散發(fā)控制其溫度，另一方法就是將熱失控電芯進(jìn)行熱隔離，避免附近電芯溫度升高。由于熱失控電芯溫度上升速度非?？欤_(dá)到每秒上百度，現(xiàn)有辦法不可能將其熱量快速散發(fā)。熱失控時電芯熱量的傳遞大部分是靠熱輻射引起的，所以進(jìn)行熱隔離是避免熱失控連鎖反應(yīng)的有效方法。
（1）電芯之間（模塊）的熱隔離
相鄰電芯之間的傳熱主要依靠的是輻射，降低熱輻射的主要方法就是物理隔離，在電芯之間加隔熱材料。隔熱材料要阻燃、耐高溫（1000℃以上），并且要有減震作用，不能在振動、沖擊情況下?lián)p傷電芯。其次，熱管理系統(tǒng)還需要對失效區(qū)域進(jìn)行及時散熱或冷卻，以降低熱失控電池的溫度，防止熱量在失效區(qū)域不斷累積。然而，在實際電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，熱失控蔓延抑制所需的隔熱設(shè)計與正常工況下所需的快速散熱設(shè)計往往是難以調(diào)和的矛盾。相變材料不僅可以有效隔熱，同時可以吸收電池系統(tǒng)內(nèi)多余的熱量，有助于抑制熱失控蔓延。為提升相變材料抑制熱失控蔓延的效果，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研發(fā)具有高相變潛熱和良好導(dǎo)熱特性的相變材料，或者通過將相變材料和耐高溫骨架結(jié)合，開發(fā)復(fù)合相變材料，使之可以在熱失控的高溫環(huán)境下正常工作。
方形電芯和軟包電芯之間組合通常加阻燃隔熱泡棉進(jìn)行隔熱，圓柱電芯組合許多廠家對電池模塊或模組導(dǎo)熱硅膠。如特斯拉電動車上均采用此工藝。電池組灌膠在單顆電芯熱失控時，產(chǎn)生的熱量是盡快分散到整個電池組中，加快電池的熱擴(kuò)散，避免熱量大部分?jǐn)U散到相鄰電芯上，降低熱失控的概率。我們對電池模塊進(jìn)行灌膠，裝車3000余臺，運行3年沒有發(fā)生車輛著火燃燒事故，電池組維護(hù)、維修過程中發(fā)現(xiàn)有電池模塊出現(xiàn)有燒毀現(xiàn)象，但基本維持在事故電芯附近，沒有發(fā)生擴(kuò)散。模塊灌膠時也在圓柱電芯頂端覆蓋了一薄層，這一薄層還有效阻礙了熱失控電芯的爆噴，有發(fā)現(xiàn)不少電芯漏液噴氣，但沒有發(fā)生極組爆噴現(xiàn)象。江淮 “蜂窩電芯”也主要采用的此種技術(shù)。
加大電芯間隔熱層的厚度，可以有效把第二個電芯發(fā)生熱失控的時間往后拖。圓柱電芯和軟包電芯相對好處理一些，方形大電芯不好處理，所以應(yīng)該能看到方殼大電芯會在811之前停留比較長的時間，以解決好電芯的熱失控問題。
（2）模組之間的隔離
從可控向不可控的第一個轉(zhuǎn)換點發(fā)生單體電池?zé)崾Э赜|發(fā)后，第二個轉(zhuǎn)換點很可能會出現(xiàn)在熱失控從一個模組蔓延到另一個模組時。一些電池包的測試結(jié)果表明，相鄰模組中的多個電芯可能會由于劇烈的側(cè)向加熱而同時發(fā)生熱失控。與第一個轉(zhuǎn)換點相比，第二個轉(zhuǎn)換點對應(yīng)大量的熱量釋放，極大地增加了從可控路徑轉(zhuǎn)移到不可控路徑的風(fēng)險。所以模組之間也要進(jìn)行熱隔離，延緩模組之間的熱擴(kuò)散。
較常用的是將電池箱分成幾個相互較獨立的區(qū)，用擋板進(jìn)行物理隔離，利用縱橫梁對模組進(jìn)行隔離也是較為有效的方法。特斯拉MODEL3就采用的此種方法。設(shè)計上升至可以做到對煙霧等也進(jìn)行隔離。
另一方法是在模組之間填充或加隔熱材料?？刹捎谜渲閹r、玻璃纖維、陶瓷板、巖棉板、硅酸鈣、氣凝膠、石墨復(fù)合板、鋁擠壓、相變材料等材料制作隔熱層。隔熱層需具有低導(dǎo)熱系數(shù)(< 0.1 W·m-1·K-1)，高工作溫度(> 600℃)，以在熱失控條件下保持完整性。如果隔熱層能吸收大量的熱量，隔熱效果就會增強(qiáng)。吸熱可采用熱容大的材料或相變材料來實現(xiàn)。往往難以解決的是電池?zé)峁芾硭璧纳嵩O(shè)計和防止熱蔓延所需的隔熱設(shè)計之間的矛盾。另外，安全設(shè)計必須考慮電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的運行方式對熱蔓延防控的影響。工業(yè)界中電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)所使用的配件包括側(cè)板、冷卻板、蓋板等。有時，冷卻板會對防止熱蔓延起到負(fù)面作用，因為它們對熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)可能大于對散熱的貢獻(xiàn)。
（3）電池箱與外部環(huán)境的熱隔離
汽車內(nèi)飾等許多材料均易燃，電池著火很快就會引燃車內(nèi)其他材料，加重事故的嚴(yán)重程度，外部低溫、高溫也會影響到電池組的正常應(yīng)用，所以電池包與外部環(huán)境之間也需要熱隔離。
榮威ER6采用防火罩設(shè)計，把所有電池模組罩起來，防止電芯熱失控時的火焰噴射，避免火焰把上蓋打穿進(jìn)一步讓氧氣進(jìn)入擴(kuò)散整個過程。防火罩包含兩層結(jié)構(gòu)：一層是硅膠為主的復(fù)合材料，一層是非常薄的玻纖材料。上蓋從鋁合金改為鈑金材料，通過防火材料和金屬材料的雙重作用，使得電芯熱失控時，電池上蓋在高溫高壓的噴發(fā)物沖擊下不會被熔穿。防火罩可以將高溫?zé)煔馔ㄟ^電池包內(nèi)的煙氣通道，通過箱體上設(shè)置的防爆閥排出。
目前采用較多的是在電池組上端覆蓋云母板，電池箱內(nèi)側(cè)涂隔熱材料等。盡可能避免火勢向上部蔓延（電池包通常裝在車輛下方）。
2.2機(jī)械防范
（1）電芯之間的安全距離
局部熱失控會引起熱擴(kuò)散，電芯之間的距離直接影響局部熱失控引起連鎖反應(yīng)的時間和影響程度。
用圓柱18650電芯進(jìn)行了試驗。將電芯充滿電，其中一只電芯用加熱膜進(jìn)行包裹，另外幾只電芯與其之間的距離分別為1.3、1.5、1.8、2.0mm，對包加熱膜的電芯進(jìn)行加熱，發(fā)現(xiàn)周圍電芯溫度變化趨勢與該包裹加熱膜電芯的溫度變化一致，當(dāng)包加熱膜電芯加熱到180℃以上時，電芯發(fā)生熱失控，溫度迅速升高，然后逐漸下降，距離1.3mm的電芯溫度升高也比較快，最終也發(fā)生了熱失控，其測試發(fā)生熱失控的溫度比包加熱膜的溫度低，可能與溫度的測試家督以及傳遞方式等有關(guān)，包加熱膜的是直接對電芯進(jìn)行加熱，電池溫度變化快，與周圍電芯之間是進(jìn)行空氣熱傳導(dǎo)，溫度相對測量有延后。1.5mm以上就相差不大了。所以，電芯之間距離應(yīng)當(dāng)大于1.5mm.
方形電芯與此相同，若想某只電芯發(fā)生熱失控而造成連鎖反應(yīng)的可能性最小，電芯支架也有一個最短的或最合適的距離。這與電芯所用材料、電芯自身性能特征等有關(guān)，可以通過試驗測定出來。合適的距離可以延緩發(fā)生熱失控連鎖反應(yīng)時間，給乘客以足夠的逃生時間。
（2）防撞擊設(shè)計
想讓電芯不受外力擠壓比較容易解決，只要在車體以及電池包的外層設(shè)計出有效的防護(hù)結(jié)構(gòu)，在車輛發(fā)生碰撞的時候就能抗下所有沖擊或者在一定程度上緩解沖擊，就能很好地避免出現(xiàn)電芯受到外力的擠壓。
動力電池普遍安裝在乘員艙的正下方，汽車原本的結(jié)構(gòu)就能夠?qū)η?、后方的沖擊起到有效的緩沖防護(hù)，一些車型甚至還額外進(jìn)行了加固。例如奔馳的EQC就在車頭設(shè)計了由多條鋼管組成的安全籠結(jié)構(gòu)，當(dāng)面對來自側(cè)向的沖擊時，除了依靠車輛的B柱以及車身框架作為緩沖之外，電池包外殼的兩側(cè)還會額外設(shè)計有類似防撞梁的吸能結(jié)構(gòu)，能夠抵御對電池包本體的沖擊。但光應(yīng)付外部的沖擊還不夠，內(nèi)部也需要有框架來進(jìn)行固定，即使沖擊已經(jīng)傳到內(nèi)部，也能保證電芯有足夠的“生存空間”。
電芯的擺放也有方向性限制。圓柱電芯、尤其是較大的圓柱電芯，在車輛上盡可能豎直方向排布，避免車輛運行過程中極組大幅度竄動，并且豎直排放也容易控制電芯熱失控噴發(fā)時噴發(fā)物質(zhì)的控制，避免噴發(fā)到相鄰電芯加快熱失控的擴(kuò)散。特斯拉等均采用此種方式。方形電芯采用的是豎直擺放，軟包電芯相對限制較少，設(shè)計時主要考慮避免強(qiáng)振動時將極耳拉斷。
（3）電芯連接設(shè)計
TESLA采用圓柱電芯，電芯之間焊接采用鋁絲焊工藝，當(dāng)某只電芯出現(xiàn)過充、內(nèi)段等發(fā)生熱失控現(xiàn)象，該電芯短路，為避免并聯(lián)的其他電池芯外短路造成大電流放電而出現(xiàn)熱失控，鋁絲在達(dá)到一定電流后會出現(xiàn)熔斷。而方形電池及軟包電池模組還無法設(shè)計出相類似的可實際應(yīng)用的技術(shù)。
安靠電源對圓柱電芯采用軟連接技術(shù)，但電池組受到比較嚴(yán)重的撞擊時，電池組之間會散開，電池連接被阻斷，避免熱失控惡化。
連接可靠，電池連接要避免松動，目前大多采用激光焊接等技術(shù)，避免了螺栓連接可能帶來的松動，電芯之間的連接片帶有軟連接的緩沖，提高振動性能。
2.3散熱設(shè)計
實驗結(jié)果表明，通過散熱可以降低熱失控電芯附近的電芯溫度，有效延緩熱擴(kuò)散的時間，甚至消除熱擴(kuò)散，提高電池組安全性能。液冷系統(tǒng)比風(fēng)冷要更有效，風(fēng)冷還會擴(kuò)大熱蔓延。
雖然方形電芯產(chǎn)熱大多集中在上端，但上端液冷系統(tǒng)不好設(shè)計，接觸面小，通常通過將液冷板放在底部。蔚來將鋁制液冷板鋪于模組下，在模組與液冷板之間加上一層導(dǎo)熱墊，并在液冷板與殼體底部之間再鋪設(shè)有隔熱和絕緣材料，進(jìn)?步確保電池整系統(tǒng)的恒溫和安全。工作時，電芯的溫度傳遞到模組與冷板接觸的底部，再通過導(dǎo)熱墊傳給液冷板，液冷板外壁再把熱量傳導(dǎo)到冷卻液，而在電池溫度過低時也可以反向給電池加熱。通用旗下別克VELITE6使用的則是軟包電池，內(nèi)部的一片片軟包電芯如同撲克牌一樣豎直排列在一起。兩個軟包電芯、一片冷卻片，再加上一個模組框架和一片隔熱泡棉組成一個完整的“MINI堆垛單元”，而一個電池模塊總成由26個“MINI堆垛單元”組成。此外，也可以通過線圈加熱冷卻液，使電池升溫，即使在極端寒冷環(huán)境下，也能確保電池處于最適宜的工作溫度。
雖然軟包電芯的電池一致性相比硬殼要稍差，但可以通過良好的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來解決。而說到這里就不得不提特斯拉了，由數(shù)千顆21700鋰電池組成的電池包擁有超高的能量密度，散熱能力也更強(qiáng)，但過多的單體電池導(dǎo)致一致性非常不理想，這對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是一個不小的挑戰(zhàn)，不過這正是特斯拉的強(qiáng)項。
在特斯拉的電池包內(nèi)，所有圓柱形電池都被灌注水乙二醇的導(dǎo)熱鋁管所環(huán)繞，鋁管外還有一層橘黃色的絕緣膠帶，更大的散熱面積加上強(qiáng)大的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)讓特斯拉在實際用車中很少因為電池過熱出現(xiàn)問題。
2.4濫用控制
濫用控制包括機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用等。電濫用主要為過充電、過放電以及低溫充電等。
（1）電濫用
充電階段，尤其是過充階段，發(fā)生熱失控的情況比較大。這與充電期間的特征有關(guān)，充電期間產(chǎn)熱量大，發(fā)生熱失控時電池荷電量高，危險程度高。過充電過程中由于過量的鋰嵌入，鋰枝晶會在陽極表面生長，有刺穿SEI膜的風(fēng)險。其次鋰的過度脫嵌也會導(dǎo)致陰極結(jié)構(gòu)因發(fā)熱和氧釋放而崩潰(NCA陰極的氧釋放)，并加速電解質(zhì)的分解，產(chǎn)生大量氣體。由于內(nèi)部壓力的增加，排氣閥打開，電池開始排氣。電芯中的活性物質(zhì)一旦與空氣接觸，就會發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，從而引發(fā)鋰電池的燃燒起火。放電時荷電量低，危害性相對較小。
歐陽明高等人的一項研究成果表明，經(jīng)歷超級快充后，電池的自產(chǎn)熱起始溫度T1將從100℃下降至60℃，而T2將從210℃降低到100℃，熱穩(wěn)定性急劇惡化。超級快充后電池?zé)岱€(wěn)定性的急劇惡化主要源于超級快充過程中負(fù)極表面的析鋰。負(fù)極表面析出的金屬鋰會與電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，直接觸發(fā)電池?zé)崾Э?。?nèi)短路是另一個潛在的濫用失效形式。如果在沒有發(fā)展出高性能隔膜前，單純地通過增加活性物質(zhì)負(fù)載量來提升電池比能量，將可能增加電池發(fā)生自引發(fā)內(nèi)短路的風(fēng)險。
解決過充電主要從以下幾方面考慮：
一是電池組設(shè)計時要有一定的設(shè)計冗余。目前由于電池組能量密度直接和補(bǔ)貼政策掛鉤，導(dǎo)致大家都將電池組的電量算的足足的，標(biāo)稱40KWh的電池組，實際電池組初期容量也就40KWh甚至略低一些，控制策略也時按照40KWh來控制，沒有一點冗余，出現(xiàn)問題的概率比較高。以前設(shè)計基本上要保證30%的冗余，目前能保證5%就不錯了，從客戶感受程度來將，10%左右的冗余是比較合適的。例如奧迪e-tron搭載的電池包容量為95kWh，但為了保證充電效率和電池壽命，在正常情況下的可用容量只有83.6kWh。
二是要將應(yīng)用的控制參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)，保證電池組在20-90%SOC范圍內(nèi)正常運行，超出此范圍電池組內(nèi)由于微環(huán)境的不一致以及電池的不一致，容易導(dǎo)致部分電池過充電過放電，從而容易出現(xiàn)熱失控；而且在30%SOC以下及80%SOC以上，電池的直接內(nèi)阻會迅速加大，充放電過程中產(chǎn)生的熱量就多，也容易發(fā)生熱失控。
三是多重控制方法的應(yīng)用，實際情況證明發(fā)生熱失控時從電路切斷所起的作用不大，應(yīng)盡可能能夠預(yù)知可能會發(fā)生熱失控，但目前這一點很難做到，包括從溫度、壓力、內(nèi)阻變化等各個方面。熱失控是突然發(fā)生的，表觀上看發(fā)生時溫度、壓力、電壓等各參數(shù)才會出現(xiàn)明顯變化，此時沒有辦法去阻止其連鎖發(fā)生。預(yù)知可能發(fā)生熱失控，需要進(jìn)一步進(jìn)行更深入層次的研究會其他新的檢測、控制方法，而且各家電池參數(shù)、所用材料及配方等不同，這些也會對預(yù)知判斷產(chǎn)生影響。熱失控發(fā)生之間肯定是電池內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)等先逐步發(fā)生變化，此時參數(shù)應(yīng)當(dāng)已經(jīng)開始發(fā)生變化，當(dāng)變化到一定程度，才會引發(fā)熱失控，目前能夠?qū)嶋H應(yīng)用到電池系統(tǒng)上的檢測手段還檢測不到這些變化，但隨著研究的進(jìn)一步深入，對其機(jī)鋰的分析深入和檢測手段的發(fā)展，會逐步提高，即使能夠提前預(yù)測幾秒的時間，也能給乘客多出幾秒的處置時間。
過放電相對危害較小，但會帶來電池的不一致性以及影響電池的壽命。應(yīng)用中整個系統(tǒng)過放電可能性較小，主要存在部分電芯的過放電。
（2）線束安全
包括高壓安全和低壓安全。電芯之間除了熱隔離，還要考慮電隔離，串與串之間不能由于熱產(chǎn)生的電芯膨脹而使串之間短路，給熱失控雪上加霜。考慮合適的爬電距離。
電池高壓電氣居中布置，保證電池在碰撞擠壓時的配電安全性；電池控制單元實時對整車及電池狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控，在車輛發(fā)生碰撞時，及時切斷電池高壓輸出，防止人員觸電。
電池系統(tǒng)的線束布置應(yīng)避免系統(tǒng)短路引起線束絕緣層熔化造成其他線束熔化而使其他電池組同樣出現(xiàn)外部短路的可能性。采樣線束應(yīng)避免擠壓，在振動、沖擊、碰撞等情況下，線束可能破損引起短路。采樣線進(jìn)水短路的破壞形式也比較復(fù)雜，一方面是大阻抗小電流放熱，一方面有水電解引起的線束燃燒風(fēng)險。通過采樣線束增加fuse的方法不能完全解決該問題?；诖?，pack設(shè)計上需要講究，避免水進(jìn)入到采樣線束連接接頭，如有可能，可考慮采樣防水連接器。
（3）機(jī)械濫用
主要是防撞擊設(shè)計。目前通常采用的是高強(qiáng)度金屬電池包，可以考慮采用蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。在電池組設(shè)計中使用更多的剛性結(jié)構(gòu)、能量吸收結(jié)構(gòu)和單體電池的正確放置是增強(qiáng)電池組機(jī)械濫用抗性的三種有效方法，前面有介紹。
（4）熱濫用
熱濫用誘因防控策略的目標(biāo)在于控制電池的工作溫度在安全工作范圍內(nèi)。電池溫度控制通常通過熱管理系統(tǒng)來實現(xiàn)?？紤]到潛在的外部燃燒帶來的風(fēng)險，熱管理系統(tǒng)設(shè)計時可以引入不可燃材料以實現(xiàn)防火。另外，已經(jīng)探明的一種熱濫用情況是由電池組匯流排松動導(dǎo)致的局部過熱。對于這種故障，可以開發(fā)基于電壓特性的接觸內(nèi)阻故障診斷方法來進(jìn)行檢測。
2.5排氣閥設(shè)計
排氣閥設(shè)計和電池封裝是需要注意的問題，例如，如果電池包外殼的耐壓能力低于排氣閥的開閥壓力，就可能會導(dǎo)致意外的排氣，此時氣體不會從排氣閥中排出來。一旦滿足了火災(zāi)三要素，意外排出的可燃?xì)怏w可能會被點燃。
電芯一旦發(fā)生熱失控，會快速產(chǎn)生大量高溫氣體，使PACK箱體內(nèi)壓急劇增加，如果氣體不能得到有效釋放，將造成兩個潛在危害：（1）高溫氣體（與熔融物）加熱周圍電芯，可能引發(fā)其他電芯發(fā)生熱失控；（2）IP67級的箱體，具有很強(qiáng)的密閉性，有可能會炸裂，或嚴(yán)重形變，讓外部空氣進(jìn)入，產(chǎn)生明火。
所以，電池箱體要設(shè)計有效的防爆排泄路徑、排泄口，對外的引導(dǎo)方面，排放方向應(yīng)避免進(jìn)入乘客艙。
對于泄爆出口的位置，一般選在電池系統(tǒng)的前后端，這里看三個例子：第一、IPACE，有兩個較大的防爆閥安裝在后端；第二、上汽ER6，設(shè)計有4個防爆閥，分別位于前后端的角落處，ER6在防爆閥內(nèi)側(cè)增加了一層薄鋼片，以避免高溫?zé)煔庵苯記_擊防爆閥而引發(fā)爆燃，高溫氣體需要通過防護(hù)鋼片的阻擋，再從鋼片與電池托盤的間隙中到達(dá)排氣閥口。IPACE在防爆閥的外面設(shè)計有金屬網(wǎng)籠，一方面避免急速排出的高溫氣體直接沖擊車身，另一方面對里面的防爆閥起結(jié)構(gòu)防護(hù)作用。第三是特斯拉Model 3，它設(shè)計有兩個主防爆閥，位于電池包后端，防爆閥外有半開放式的防護(hù)結(jié)構(gòu)，同時對噴射出去的氣體起到導(dǎo)向作用，均斜向地面。
除了在前后端，也有設(shè)計在電池包兩側(cè)的，代表案例是Model S，它除了在前端有一個泄爆閥之外，兩側(cè)各有很多個小的防爆閥（最初的設(shè)計有84個，后面的設(shè)計數(shù)量有所減少）。
2.6檢測防范與大數(shù)據(jù)處理
（1）檢測預(yù)防
要進(jìn)行預(yù)防，首先要檢測電池系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)的變化情況，電池發(fā)生變化的通常為電壓、電流、溫度、壓力、變形程度、電阻/內(nèi)阻、熱使用時的氣體、煙霧等，通過對熱失控前后電池系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的各項物理、化學(xué)變化進(jìn)行檢測，采取有效的處置措施，可以有效預(yù)防熱失控的發(fā)生。熱失控時電解液氣化、分解，正極材料分解等產(chǎn)生CH4、CO2、C2H4、C2H6、H2、O2等多種氣體，有明火時可能會發(fā)火說呢過爆炸。
目前的手段主要有：電池絕緣探測、電氣拉弧/閃絡(luò)探測、電池溫度探測、電路異常探測、液冷管路泄露探測、電池形變探測、電池壓力探測等預(yù)警措施。
熱失控發(fā)生前一段時間溫度信號有一些較明顯特征，但也不一定能確認(rèn)出現(xiàn)這些特征就一定會發(fā)生熱失控。溫度相關(guān)的條件包括：
（1）某個溫度值大于或等于一定值（推薦溫度值60℃）并且持續(xù)一定時間（推薦時間3秒）。
（2）最高溫度值在一定時間內(nèi)（推薦時間5秒）的溫升大于或等于一定值（推薦2℃）。
只要出現(xiàn)任何一個條件就應(yīng)該引起注意，有可能會發(fā)生熱失控。相應(yīng)的處理上僅做低級預(yù)警提示、數(shù)據(jù)的記錄及上報給上一級控制單元，不做其他任何實質(zhì)性措施。另外該預(yù)警的一個重要作用是通過車載終端上報大數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，通過人工分析熱失控的可能性有多大，從而采取進(jìn)一步措施。
電池在機(jī)械濫用下發(fā)生殼體破裂后，將可能發(fā)生漏液，進(jìn)一步引發(fā)火災(zāi)或爆炸，造成更大的危害。在電池系統(tǒng)內(nèi)增加揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）傳感器有助于實現(xiàn)電池漏液故障的在線診斷，但目前只有少數(shù)幾種VOC傳感器產(chǎn)品可以滿足車規(guī)級要求。
除了對實時參數(shù)等進(jìn)行檢測外，最好能做到對歷史數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行對比分析，如溫度及溫度變化率等，能夠盡可能提前進(jìn)行預(yù)測及預(yù)警。美國圣地亞哥州立大學(xué)Chris Mi教授提出給予變化率準(zhǔn)則的短路故障報警，利用的參數(shù)：溫度變化率、電壓閾值、電流閾值。
（2）大數(shù)據(jù)處理
在數(shù)據(jù)處理方法方面，人工智能算法可以通過大數(shù)據(jù)分析來預(yù)測潛在的安全事故。如今，大量電動汽車日常運行數(shù)據(jù)被上傳到云端監(jiān)控系統(tǒng)上，如何處理這些大量的數(shù)據(jù)，將是一個很大的挑戰(zhàn)。結(jié)合云計算技術(shù)，采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法有望實現(xiàn)大量電池汽車日常運行數(shù)據(jù)的處理和分析。在未來研究中，可以進(jìn)一步發(fā)展基于云端大數(shù)據(jù)分析的車載電池系統(tǒng)故障診斷方法，包括遠(yuǎn)程診斷、熱失控預(yù)警和主動管控策略等?；谠贫藬?shù)據(jù)分析的故障診斷與預(yù)警技術(shù)可以在早期階段防止?jié)撛跓崾Э厥鹿实陌l(fā)生，及早進(jìn)行維護(hù)與升級，盡量降低事故發(fā)生的概率。
北理工利用全國電動車輛數(shù)據(jù)平臺，采用 “閾值-速率-模型“故障診斷體系，車輛端以閾值-速率為核心，實時故障判斷與報警；云端：以閾值-速率為基礎(chǔ)，實時復(fù)雜模型故障聯(lián)合診斷與風(fēng)險預(yù)警。結(jié)合電池單體電壓判斷電池類型，將電池分為磷酸鐵鋰、三元、錳酸鋰等類型，根據(jù)不同類型的電池實行不同的預(yù)警策略。提出基于香農(nóng)熵的電壓故障診斷與預(yù)警方法，利用劃窗（以50幀窗口時間為例）內(nèi)數(shù)據(jù)和異常系列，及時預(yù)警電壓故障及其發(fā)生的時間和位置。基于新能源汽車大數(shù)據(jù)平臺，利用及學(xué)習(xí)算法和3σ多級篩選策略，以概率的形式檢測和計算單體端電壓的異常變化；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對可能出現(xiàn)的系統(tǒng)故障類型進(jìn)行分布統(tǒng)計，實現(xiàn)預(yù)警。2019年7-11月著火測量及預(yù)警數(shù)量：事故車輛數(shù)57，十天內(nèi)預(yù)警數(shù)量47，預(yù)警率82.46%。
2.5 事后處理
電池組發(fā)生熱失控，出現(xiàn)燃燒等情況時，需要及時滅火。電動客車標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)明確要求安裝滅火裝置。
動力鋰電池起火具有高熱量、火勢猛烈、蔓延迅速、只燃燒不爆炸、火勢難以撲滅的特點。根據(jù)T/CSAE 84-2018《電動汽車火災(zāi)事故救援規(guī)程》規(guī)定，考慮到插電式混合動力汽車及純電動汽車鋰電池內(nèi)部燃燒特點，由于鋰電池本身自帶氧化劑，所以使用干粉或泡沫滅火器隔絕氧氣的傳統(tǒng)方法對其完全沒用，滅火效果不佳?；馂?zāi)初期可采用水基型滅火器進(jìn)行控制；針對燃燒產(chǎn)生大量的熱量，在斷電情況下對電動汽車用大量的水進(jìn)行降溫、控火，防止向毗鄰區(qū)域蔓延；用河沙對起火電動汽車底部進(jìn)行覆蓋，控制火勢蔓延以及復(fù)燃。APS公司在亞利桑那州運營的電池儲能系統(tǒng)發(fā)生起火和爆炸事件之后，認(rèn)為：清潔劑滅火劑并沒有阻止電池發(fā)生火災(zāi)，火勢蔓延到這塊電池的電池架上其他相鄰電池。高溫導(dǎo)致電池釋放出危險氣體，這些氣體積聚在集裝箱式電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部，由于缺乏通風(fēng)或檢測這些氣體的手段。當(dāng)消防人員打開大門時，集裝箱內(nèi)進(jìn)入大量空氣，而積聚的易燃?xì)怏w遇火之后引發(fā)了爆炸。
毛煥宇發(fā)明了一種化合物，具有隔熱、吸熱、滅火等功能，將其添加在電池包內(nèi)，可以一定程度上使電池包只冒煙、不著火。缺點是要占用一定的電池包內(nèi)空間，增加電池包重量、成本也相應(yīng)有所增加，但總的幅度都不大。
特斯拉最新申請的一項專利，通過將金屬空氣電池組連接到鋰電池組上，從而降低因為鋰電池過熱而產(chǎn)生自燃的風(fēng)險。主要是利用金屬空氣電池需要空氣才能工作的原理，將其與主電池包（即鋰電池）通過管子和閥門進(jìn)行連接。 當(dāng)鋰電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象時，閥門就會自動打開，并允許熱氣體進(jìn)入金屬空氣電池內(nèi)，從而對氣體進(jìn)行冷卻降溫。值得注意的是，金屬空氣電池需要空氣才能工作，其陰極是環(huán)境空氣，需要與空氣作用才能發(fā)電，顯然這種設(shè)計帶來了熱失控之外的更多問題。不過特斯拉的這項專利也為降低鋰電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象提供了新的思路。
