熱失控預(yù)警系統(tǒng)的案例
電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池熱失控過(guò)程分析及預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)
在所有的事故原因中，熱失控問(wèn)題占有很大比例。本文通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池熱失控過(guò)程的分析，設(shè)計(jì)出一套熱失控預(yù)警系統(tǒng)。這樣至少保證在整車(chē)發(fā)生熱失控之前能夠通知到車(chē)內(nèi)的乘客，避免造成人員傷亡，同時(shí)能夠盡量減少事故帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)損失。
一、熱失控過(guò)程分析
鋰電池的熱失控主要是由于電池內(nèi)部產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)大于散熱速率，在電池內(nèi)部積累了大量的熱量，從而引發(fā)單體電池的著火或爆炸。單體電池的熱失控又會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)電池系統(tǒng)，導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)甚至整車(chē)的起火或爆炸事故。
為研究動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控發(fā)生的過(guò)程，我們外接熱源的方式對(duì)電池進(jìn)行加熱從而引發(fā)熱失控。試驗(yàn)表明，在單體電池發(fā)生熱失控時(shí)伴隨有電池電壓的變化、電池及環(huán)境溫度的變化、電池包內(nèi)氣壓的變化及氣體成分的變化。我們將出現(xiàn)異常的的信號(hào)分為溫度、電壓、氣壓（或氣體成分）三個(gè)大類(lèi)，分別進(jìn)行分析。
針對(duì)溫度信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：電池的溫度在熱失控發(fā)生前會(huì)有一個(gè)持續(xù)的較快速率的上升過(guò)程，如圖1數(shù)據(jù)所示（橫軸時(shí)間單位為秒，縱軸溫度單位為℃），在前720秒的時(shí)間內(nèi)，溫度從室溫25℃持續(xù)升高到62℃。隨后發(fā)生單體電池的熱失控，溫度急劇上升到430℃。第一節(jié)電池能量釋放完之后溫度會(huì)下降，到第787秒第二節(jié)電池熱失控，同樣溫度短時(shí)間內(nèi)急劇上升。如此發(fā)生連環(huán)性的熱失控反應(yīng)，最后整個(gè)電池包都發(fā)生熱失控。
針對(duì)單體電池電壓信號(hào)在熱失控過(guò)程中的分析：電池的電壓在熱失控發(fā)生之前基本維持在平臺(tái)電壓保持不變。在熱失控發(fā)生的瞬間，實(shí)測(cè)在2秒內(nèi)電壓會(huì)下降到1V以下。圖2（橫軸時(shí)間單位為S，縱軸電壓?jiǎn)挝粸閂）中符合以上特征，第一個(gè)發(fā)生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4.13V，在第720后開(kāi)始急劇下降，到第722秒幾乎降到0V，之后由于檢測(cè)電壓的電路受損燒毀均為無(wú)效值。
展開(kāi) 新能源汽車(chē)電池熱失控著火，檢測(cè)預(yù)警用什么傳感器？
什么是電池熱失控？
電池熱失控是指電池持續(xù)放熱的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池組溫度急劇上升，進(jìn)而引發(fā)電池燃燒事故的過(guò)程。熱失控有三個(gè)過(guò)程，誘發(fā)、發(fā)生到蔓延，其中引發(fā)熱失控的主要原因是過(guò)熱、過(guò)充、內(nèi)短路、碰撞等因素。
為何新能源車(chē)電池著火速度很快？
新能源汽車(chē)采用的一般都是鋰電池，屬于化學(xué)電池，某些極端情況下會(huì)導(dǎo)致電極短路，化學(xué)反應(yīng)比較劇烈，被破壞的電池發(fā)熱燃燒，此外車(chē)內(nèi)有很多易燃物，比如汽車(chē)座椅等會(huì)加速火勢(shì)蔓延。
如何通過(guò)技術(shù)手段檢測(cè)發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生的問(wèn)題？
電池管理系統(tǒng) (BMS)是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要組成，作用是監(jiān)控電池狀態(tài)，保障運(yùn)行安全。通過(guò)配備不同的傳感器，BMS可以監(jiān)測(cè)和收集比如溫度、壓力、異常氣體、煙霧等，診斷到故障后，發(fā)出預(yù)警，并要求整車(chē)控制器進(jìn)行有效處理，以防止高溫、低溫、過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、漏電等對(duì)電池和人身的損害。
需要提前多久提示車(chē)主，才是安全的？
今年我國(guó)正式發(fā)布和實(shí)施了三項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（《電動(dòng)汽車(chē)安全要求》、《電動(dòng)客車(chē)安全要求》和《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》）來(lái)進(jìn)一步規(guī)范電動(dòng)汽車(chē)的安全標(biāo)準(zhǔn)。其中增加了電池系統(tǒng)熱事件報(bào)警信號(hào)及電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，要求電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸，為乘員預(yù)留安全逃生時(shí)間。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)的安全性將得到進(jìn)一步地提升。
不少社區(qū)禁止安裝充電樁，擔(dān)心靜止?fàn)顟B(tài)下新能源車(chē)會(huì)自燃或發(fā)生充電過(guò)程的事故，能否通過(guò)傳感器設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題？
這個(gè)問(wèn)題回到了剛剛提及的BMS電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)就是用來(lái)監(jiān)測(cè)電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)，預(yù)警問(wèn)題的發(fā)生，包括電壓、氣體、煙霧、溫度、壓力等不同維度，全面監(jiān)測(cè)電池的健康狀況。不同的傳感器各有優(yōu)劣勢(shì)，一般會(huì)通過(guò)多個(gè)不同的傳感器檢測(cè)動(dòng)力電池熱失控情況。
為了盡可能減少人員傷亡及損失，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，提前預(yù)警，顯得非常重要。
展開(kāi) 鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控防控技術(shù)研究進(jìn)展
Jin等報(bào)道了基于探測(cè)H2實(shí)現(xiàn)熱失控早期預(yù)警的方法，該方法發(fā)現(xiàn)基于H2濃度探測(cè)可以檢測(cè)鋰枝晶的形成，即使只有微米尺度也能通過(guò)探測(cè)H2濃度進(jìn)行識(shí)別。而后對(duì)8.8 kWh磷酸鐵鋰模組進(jìn)行的過(guò)充實(shí)驗(yàn)表明，H2在H2、CO、CO2、HCl、HF、SO2這6種常見(jiàn)氣體中首先被探測(cè)到，探測(cè)時(shí)間比煙霧提前639 s，比火災(zāi)提前769 s。
2.3 電信號(hào)
電信號(hào)為電池管理系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)的重要信號(hào)，而對(duì)熱失控時(shí)電信號(hào)變化的研究是預(yù)警的關(guān)鍵。Feng等用大型加速量熱儀對(duì)大容量鋰離子電池的研究表明，電壓下降和溫度上升之間具有時(shí)間延遲，大約為15 s。同時(shí)，通過(guò)小電流脈沖充放電法發(fā)現(xiàn)隨著電池溫度的升高，電池的電阻逐漸增加。Ren等深入研究了這個(gè)現(xiàn)象，揭示了內(nèi)短路導(dǎo)致的電信號(hào)變化和熱失控導(dǎo)致的溫升現(xiàn)象之間的關(guān)系。BMS內(nèi)置的電壓傳感器可以很好地監(jiān)測(cè)電池的終端電壓。一旦檢測(cè)到異常信號(hào)，可以很快發(fā)出警報(bào)。電壓監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)是能夠定位模組內(nèi)有故障的電池。同時(shí)，儲(chǔ)能電站電池?cái)?shù)量巨大，需布置更多電壓傳感器，導(dǎo)致較高的計(jì)算成本。目前儲(chǔ)能電站的監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備主要是煙霧報(bào)警器和溫度傳感器。現(xiàn)有的研究表明，基于溫度的熱失控監(jiān)測(cè)預(yù)警方式無(wú)法根據(jù)表面溫度判斷電池是否發(fā)生熱失控從而預(yù)測(cè)內(nèi)部溫度。煙霧探測(cè)技術(shù)是熱失控孕育到一定程度才會(huì)預(yù)警，此時(shí)已經(jīng)有發(fā)生火災(zāi)的趨勢(shì)。VOC氣體探測(cè)則無(wú)法鑒別該氣體是漏液故障還是熱失控氣體排放。綜上可知，對(duì)于熱失控早期預(yù)警技術(shù)新方法的研究不多，且信號(hào)處理、成本和工程布置也是一大難題，僅憑單一參數(shù)預(yù)警使得誤報(bào)率始終較高，未來(lái)需要開(kāi)發(fā)多參數(shù)耦合預(yù)警技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱失控早期的精確識(shí)別。
展開(kāi) 儲(chǔ)能電池系統(tǒng)熱失控安全監(jiān)測(cè)傳感器解決方案
什么是熱失控擴(kuò)散？
熱失控電池產(chǎn)生的熱量高于它可以消散的熱量時(shí)，熱量進(jìn)一步積累，可能導(dǎo)致火災(zāi)，爆炸和氣體釋放。如果電池系統(tǒng)中，由于一個(gè)電芯產(chǎn)生熱失控而引發(fā)其他電芯熱失控，即為熱失控擴(kuò)散。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36276—2018中給出的熱失控擴(kuò)散定義如表2所示。
熱失控的引發(fā)原因？
熱失控現(xiàn)象的產(chǎn)生原因可以分為兩類(lèi)：內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要指在電池設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中產(chǎn)生的原因；外因主要指在電池運(yùn)輸、安裝及運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中由于人員、外部條件等導(dǎo)致的原因。分類(lèi)概括如下▼
鋰電池熱失控反應(yīng)特征非常劇烈-失控難控制
熱失控預(yù)警：儲(chǔ)能電池多維度安全監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)受到國(guó)家層面高度重視！
針對(duì)熱失控預(yù)警技術(shù)，2022年08月29，工信部公開(kāi)征求對(duì)《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》的意見(jiàn)（以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見(jiàn)》）給出了指導(dǎo)意見(jiàn)。
電池系統(tǒng)集成、檢測(cè)評(píng)價(jià)和回收利用中指導(dǎo)意見(jiàn)：
加強(qiáng)儲(chǔ)能電池多維度安全測(cè)試技術(shù)、熱失控安全預(yù)警技術(shù)和評(píng)價(jià)體系的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，突破電池安全高效回收拆解、梯次利用和再生利用等技術(shù)。
儲(chǔ)能系統(tǒng)智能預(yù)警安防中指導(dǎo)意見(jiàn)：
開(kāi)發(fā)基于聲、熱、力、電、氣多物理8參數(shù)的智能安全預(yù)警技術(shù)，以及高效、清潔的消防技術(shù)。
電池儲(chǔ)能安全該如何化解？
電池熱失控是指電池持續(xù)放熱的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池組溫度急劇上升，進(jìn)而引發(fā)電池燃燒事故的過(guò)程。熱失控有三個(gè)過(guò)程，誘發(fā)、發(fā)生到蔓延，其中引發(fā)熱失控的主要原因是過(guò)熱、過(guò)充、內(nèi)短路、碰撞等因素。
展開(kāi) 
汽車(chē)鋰電池熱失控與熱管理全新解決方案及新能源電控系統(tǒng)優(yōu)化方案介紹【8月8日直播】
*精彩直播預(yù)告
鋰電池作為主要?jiǎng)恿﹄娫粗灰驯粡V泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，因其高能量的特點(diǎn)，預(yù)防電池熱失控進(jìn)行電池熱管理控制一直是被企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。為了保證鋰電池的最佳性能、安全性和使用壽命，鋰電池必須在特定的溫度范圍內(nèi)工作，而如何有效的預(yù)防鋰電池熱失控進(jìn)行熱管理是企業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。海克斯康工業(yè)軟件旗下的Cradle CFD軟件可以為電池熱失控和熱管理提供全新解決方案。
Cradle CFD軟件具備鋰電池的簡(jiǎn)易平衡模型，同時(shí)還具備詳細(xì)電化學(xué)P2D模型，可以對(duì)單電池以及整體電池包進(jìn)行熱仿真。針對(duì)電池熱失控問(wèn)題，現(xiàn)有1D-3D耦合方法計(jì)算量大、輸入?yún)?shù)多、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題存在，Cradle CFD軟件開(kāi)發(fā)了新的電池組的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停梢越o工程師提供高效的工作流程，快速計(jì)算開(kāi)發(fā)出強(qiáng)大的鋰電池產(chǎn)品。
本期海克斯康直播講堂請(qǐng)到了流體仿真專家李晶博士為我們?cè)敿?xì)講解鋰電池熱失控和熱管理全新解決方案，同時(shí)幫助用戶了解并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化新能源電控系統(tǒng)解決方案，最后傳遞IGBT等快速傳熱分析所用的BCI-ROM新方法，超多干貨，精彩不容錯(cuò)過(guò)！
8月8日 14:00
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直播內(nèi)容聚焦
?? 電池整體解決方案：
解決多尺度問(wèn)題
解決多物理場(chǎng)問(wèn)題
?? 電池熱安全解決方案；
?? BCI-ROM解決方案。
展開(kāi) 2025大賽優(yōu)秀作品 | 電池系統(tǒng)熱失控多物理場(chǎng)建模及高溫氣體疏導(dǎo)措施研究
作品名稱：電池系統(tǒng)熱失控多物理場(chǎng)建模及高溫氣體疏導(dǎo)措施研究
作者：重慶大學(xué) | 張高陽(yáng)
關(guān)鍵詞：電池熱失控機(jī)理，熱失控產(chǎn)氣速率計(jì)算，氣體爆炸極限，電池系統(tǒng)泄壓閥
作者說(shuō)
利用Ansys SpaceClaim可以快速對(duì)電池包STP模型進(jìn)行前處理，該軟件的操作流程比較清晰適合初學(xué)者進(jìn)行三維數(shù)模設(shè)計(jì)，并且其共享拓?fù)浜统槿×黧w的功能也十分好用，與Fluent Meshing相配合能夠快速劃分流體網(wǎng)格。另外，F(xiàn)luent提供的UDF功能也給使用者提供了二次開(kāi)發(fā)的接口，能夠自定義模型的物理反應(yīng)過(guò)程，從而解決工程中出現(xiàn)的新問(wèn)題。
目前，100Ah以上的三元鋰電池在電動(dòng)汽車(chē)上得到了廣泛應(yīng)用，而大容量三元鋰離電池發(fā)生熱失控后可能會(huì)誘發(fā)更為嚴(yán)重的火災(zāi)事故。為此本案例針對(duì)117Ah三元鋰方形電池，在Fluent中使用UDF/UDS定義了SEI膜分解、負(fù)極與電解液反應(yīng)、正極分解反應(yīng)、電解質(zhì)分解等過(guò)程，并利用T2之后溫度與溫升速率的函數(shù)關(guān)系得到內(nèi)短路產(chǎn)熱的表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合AEC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到產(chǎn)熱/產(chǎn)氣速率方程，構(gòu)建了CTP電池系統(tǒng)熱失控多物理場(chǎng)仿真模型，揭示了熱量的傳播與氣體擴(kuò)散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在Pack尾部布置3個(gè)50mm泄壓閥時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的可燃?xì)怏w濃度能夠在17.3s內(nèi)降至爆炸下限（LEL）以下，從而降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
挑戰(zhàn)/需求
作者所在機(jī)構(gòu)希望通過(guò)仿真工具建立高精度的電池熱失控產(chǎn)熱和產(chǎn)氣模型，并在此基礎(chǔ)上模擬CTP電池系統(tǒng)中單顆電池熱失控引起的熱量傳播與氣體擴(kuò)散過(guò)程，以此評(píng)估隔熱設(shè)計(jì)的合理性并優(yōu)化系統(tǒng)泄壓閥的布局與數(shù)量。
展開(kāi) 熱失控預(yù)警系統(tǒng)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
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