電池熱失控監測的案例
基于lab-on-fiber技術原位監測鋰離子電池熱失控
來源 | Nature Communications
01
背景介紹
隨著全球范圍內能源危機的出現，并在“雙碳”目標驅動下，鋰離子電池獲得了蓬勃發展，然而電池熱失控被喻為威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規模化發展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池熱失控演變機制，并提出早期預警策略以防止火災爆炸事故的發生。導致電池熱失控的根源，是電池內部一系列復雜且相互關聯的“鏈式副反應”。最具代表性的鏈式反應包括：外部電、熱、機械濫用→內部產熱→SEI膜分解→負極與電解液反應、產氣→隔膜熔化→內部短路→安全閥開啟→正極與電解液反應、產氣→電解液分解、產氣→電解液、氣體燃燒→起火爆炸！從局部短路到大面積短路，電池內部溫度快速提升，可高達800℃以上，引發電池起火爆炸。由此可見，“溯源電池熱失控發生的內在誘因，厘清各分步反應之間的耦聯關系，揭示熱失控主導機制與動力學規律，前移熱失控預警時間窗口”是從根本上解決儲能安全問題的核心。然而，由于電池的密閉結構和內部復雜的反應機制，電池內部核心狀態參量檢測的準確性和實時性無法保證。最新報道的具有“透視”檢測能力的科學儀器（如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等），由于儀器體積龐大、價格昂貴，無法應用于電池使用終端。如何科學、及時、準確地預判電池安全隱患，成為當前電池安全領域的國際性科學難題。
02
成果掠影
近期，中國科學技術大學孫金華教授和王青松研究員團隊與暨南大學郭團教授團隊提出了一種可植入電池內部的多模態集成光纖原位監測技術，在國際上率先實現了對商業化鋰電池熱失控全過程的精準分析與提早預警。
展開 儲能電池系統熱失控安全監測傳感器解決方案
電化學電池以不可控制的方式通過自加熱升高其溫度的事故即為熱失控。
什么是熱失控擴散？
熱失控電池產生的熱量高于它可以消散的熱量時，熱量進一步積累，可能導致火災，爆炸和氣體釋放。如果電池系統中，由于一個電芯產生熱失控而引發其他電芯熱失控，即為熱失控擴散。國家標準GB/T 36276—2018中給出的熱失控擴散定義如表2所示。
熱失控的引發原因？
熱失控現象的產生原因可以分為兩類：內因和外因。內因主要指在電池設計及制造過程中產生的原因；外因主要指在電池運輸、安裝及運行維護過程中由于人員、外部條件等導致的原因。分類概括如下▼
鋰電池熱失控反應特征非常劇烈-失控難控制
熱失控預警：儲能電池多維度安全監測預警技術受到國家層面高度重視！
針對熱失控預警技術，2022年08月29，工信部公開征求對《關于推動能源電子產業發展的指導意見（征求意見稿）》的意見（以下簡稱《指導意見》）給出了指導意見。
電池系統集成、檢測評價和回收利用中指導意見：
加強儲能電池多維度安全測試技術、熱失控安全預警技術和評價體系的開發與應用，突破電池安全高效回收拆解、梯次利用和再生利用等技術。
儲能系統智能預警安防中指導意見：
開發基于聲、熱、力、電、氣多物理8參數的智能安全預警技術，以及高效、清潔的消防技術。
電池儲能安全該如何化解？
電池熱失控是指電池持續放熱的連鎖反應，導致電池組溫度急劇上升，進而引發電池燃燒事故的過程。
展開 “雙碳”目標下新能源汽車推廣加速，需要注意電池安全
電池是電動汽車的“心臟”，對于電動車而言，電池安全才是“真安全”。據了解，當前全球電動汽車主要使用磷酸鐵鋰和三元鋰兩種電池。其中三元鋰電池具備能量密度高、低溫性能好的特點，常用于高端電動品牌。但相較于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池有著更高的安全防護及熱管理要求。因此，三元鋰電池若想在高性能和高安全上達到平衡，冷卻系統以及整個電池包的熱管理系統是核心突破口，而這需要車企投入更高的成本進行研發設計。
什么是電池熱失控？
電池熱失控是指電池持續放熱的連鎖反應，導致電池組溫度急劇上升，進而引發電池燃燒事故的過程。熱失控有三個過程，誘發、發生到蔓延，其中引發熱失控的主要原因是過熱、過充、內短路、碰撞等因素。
為何新能源車電池著火速度很快？
新能源汽車采用的一般都是鋰電池，屬于化學電池，某些極端情況下會導致電極短路，化學反應比較劇烈，被破壞的電池發熱燃燒，此外車內有很多易燃物，比如汽車座椅等會加速火勢蔓延。
電池熱失控監測是新國標法規要求
從2016年開始，工信部就在積極推動新能源汽車尤其是電動汽車安全標準的制定和修訂工作。2019年1月10日，工信部正式將《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（以下簡稱“新國標”）等三項強制性國家標準公示報批，即將成為2020年后新能源汽車產品報批準入的基本要求。其中，對于電池熱失控監測和報警提出了新的要求：電池包或系統在由于單個電池熱失控引起熱擴散、進而導致乘員艙發生危險之前5 min，應提供一個熱事件報警信號（服務于整車熱事件報警，提醒乘員疏散）。2018年3月13-16日，在日內瓦召開的聯合國世界車輛協調論壇（WP.29）第174次會議上，由中國、美國、歐盟和日本共同牽頭制定的電動汽車安全全球技術法規（EVS-GTR）經《1998年協定書》締約方投票表決，獲得全票通過，這是中國第一個以主要牽頭國身份參與完成的全球技術法規。
展開 Amesim電池教程 電池熱失控模型 在線閱讀
概述
本文旨在描述Amesim中的電池熱失控模型的建模原理、使用方法，在電池熱失控過程中，各階段反應放熱模型以及各參數的物理意義。
模型原理：對于各階段的化學反應，基于用戶通過熱測試試驗標定好的參數，根據半經驗公式（Arrhenius）計算各階段的反應速率，再由反應速率對時間積分計算反應物質消耗及其放熱量。詳細過程如下所述。
2. 電池熱失控過程
2.1. 產生原因
當鋰電芯內部的生熱速率超過單體對外部的散熱速率時，鋰電池將發生熱失控現象。因此，鋰電池在任何情況下（充電/放電/存儲），都有安全溫度的限制要求Tlim。
A）正常工作區與失控發生區 B）外部溫度升高導致熱失控 C）換熱能力下降導致熱失控
電池熱失控的成因有多種，取決于電池自身的狀態以及外部因素
內部原因：
例如：電池內部化學原因導致的內部短路，電池自身的設計缺陷，電池的生產制造缺陷，電池的過充，BMS的軟硬件故障。
外部原因：
例如：機械外力（事故）導致的電池內部短路（穿刺等），外部環境溫度過高，外部電路短路等。
鋰電池熱失控的起始溫度（OTR-Onset of Thermal Runaway）一度被認為是鋰的熔點，大概180degC。但實際上在這之前已經發生了一系列的持續放熱化學反應，因此，實際熱失控的起始溫度要遠低于該值，對于一塊充滿的鋰電池，熱失控一旦發生，其內部溫度將持續增高，最高可達600 degC。
展開 
汽車電池熱管理熱失控原因及預防策略介紹（附視頻教程）
電池內部復雜化學反應和物理過程的難以預測性：?電池內部的化學反應和物理過程涉及多個組分材料的分解反應，?這些反應一個接一個地發生，?形成一個鏈式反應的機制。?這種復雜的反應過程使得熱失控的發生難以準確預測。?此外，?電池在特定條件下（?如機械濫用、?電氣濫用或熱濫用）?可能發生內部短路，?這也是導致熱失控的常見原因之一。?
外部條件對電池安全性的影響：?溫度對電池的影響起著關鍵性作用。?電池既需要散熱也需要加熱，?以防止發生熱失控。?溫度過高時，?電池會折壽（?容量衰減）?，?暴斃（?熱失控）?風險增加；?溫度過低時，?電池同樣會折壽（?容量衰減）?、?衰弱（?性能衰減）?，?若此時充電還會埋下暴斃隱患（?析鋰導致的內短路存在引發熱失控的風險）?。?
綜上所述，?由于電池內部復雜化學反應和物理過程的難以預測性，?以及外部條件對電池安全性的影響，?使得汽車電池熱失控的發生難以準確預測。
part3「如何控制汽車電池熱失控」
汽車電池熱失控的控制主要通過電池管理系統的多種手段實現。?
電池管理系統（?BMS）?通過以下幾種方式實現對動力電池溫度的有效控制：?
溫度監測：?通過布置在電池包內的溫度傳感器實時監測動力電池的溫度，?精確感知電池內部的溫度分布，?并將數據傳輸給BMS進行處理。?這有助于及時發現電池溫度異常，?為后續的溫度控制提供依據。?
散熱控制：?當動力電池溫度升高時，?BMS會啟動散熱控制策略，?控制電池包內的散熱風扇和散熱片等設備，?增加散熱面積，?提高散熱效率。?同時，?BMS還會根據電池溫度和環境溫度等因素，?智能調節電池的充放電功率，?避免電池產生過多的熱量。?
熱隔離措施：?為了防止動力電池熱失控的擴散，?BMS會采取熱隔離措施，?如設置熱阻材料和熱斷路器等設備。?
展開 電池熱失控的仿真和優化
圖7 煙氣隔離蓋
02
系統措施
現在行業里面都在提零熱失控，也就是即使電芯熱失控，整包也能控制住。這個我們能采取的手段如下圖所示，手段都是相似的，就是在不同位置和不同條件下是否能做到完全的一致，完全能在可控范圍內。
泄壓：通過泄壓閥的設計，在熱失控的時候把高溫的其他排出去防止壓力的堆積
噴發物控制：方殼電芯有小一半的熱量是通過噴發物排出來的，所以在電池系統里面需要設計完善的排煙通道并且把噴發物和其他電芯進行隔離
降溫：在預警出現以后，開啟整車水泵對電池系統進行緊急的降溫的措施，盡量把熱失控的電芯的熱量通過原有的熱管理系統排出去
預警：采用壓力傳感器搭配溫度和電壓檢測的辦法，在一個電芯出現熱失控，整包的氣壓出現變化以后就進行喚醒，然后確認熱失控的情況。
展開 鋰電池仿真熱失控仿真解決方案
本文主要分享公司某工程師關于鋰電池仿真、熱失控仿真解決方案。
本案例模型及相關操作，請與我溝通交流。
研究發現電池熱失控原因在于材料表面
鋰電池已經被廣泛應用在手機、電腦和汽車上，成為了不可或缺的部件。不過，鋰電池卻也會因熱失控而自燃自爆。研究人員一直都在尋找電池過熱的原因和解決辦法，最近美國得克薩斯大學達拉斯分校的研究人員有了新的發現，鋰離子電池過熱根源并不在材料內部，而在于材料表面，提高材料穩定性才能打造高容量且安全的電池。
電池在充放電時，電池材料也在不斷衰退，所釋放的能量也會使電池熱量提升。材料科學與工程教授Kyeongjae Cho博士表示，“只有電池陰極材料的表面才是問題所在，電池內部沒有問題。”鋰電池主要由正極、負極、隔膜和電解質組成，鋰離子則通過電解質在電極兩端游移，在電池充放電時，電池表面材料會釋放氧氣，進而產生金屬鎳粉塵。但鋰離子的傳輸通道被鎳粉塵堵塞時，導致電池容量就會快速下降，隨著熱量的增加，電池起火和爆炸的幾率也會增加。
Kyeongjae Cho博士稱，可以在電池材料表面添加氧化物涂層，重新建構電池的結構，這也是保障鋰電池安全的方法之一。此舉可將電池容量提高20%至30%，改造后的電池可以經受住更長的充電時間。但問題是，研究與實驗所耗費時間會相當長。
展開 電池熱失控的檢測和BMS的發展方向
▲圖2.電池系統里面影響壓力變化的一些事件
2.汽車傳感器
由于燃料電池的原因，過往汽車傳感器廠家其實有一些技術儲備，主要是基于H2的泄露檢測，把這個借用過來用在鋰電池熱失控檢測上是比較好的解決方案。
▲圖3.基于壓力、CO2和H2傳感器對單電池熱失控的檢測
Part 2
電池管理系統的未來
在下面的恩智浦的《Next-Generation Architectures For Battery Management Solution》里面有一張圖比較典型，我們能看到在三電領域，都出現了高低壓分離，硬件和軟件分離的情況發生，也就是說未來分布式的電池管理軟件，可能會被集成到Domain 控制器甚至是放到集中運算平臺里面。
我的理解是，隨著熱失控緩解用到更多的熱管理組件，想要覆蓋上述這么多熱失控檢測和熱失控延緩，必然要形成集中處理的模式，同時對下層的硬件進行激活。
備注：這個過程還是比較慢，主要是BMS運算相對要求實時。
▲圖4.電池管理系統把自己做成全硬件產品
小結：我個人覺得，在這個電池檢測和熱失控延緩領域，會衍生出比較多的主動控制措施，需要調用更多的資源，這也使得電池管理的軟件更快進入上層。
展開 精華 | 基于TAITherm軟件的鋰離子電池熱失控仿真
TAITherm副反應腳本的編輯過程主要考慮電池熱失控導致的四類內部連鎖副反應：SEI膜分解、正極分解、負極分解以及電解液分解，四類反應的計算公式如下所示：
? S2：副反應熱
? H：反應熱(J/g)
? W：密度(g/m3)
? α：歸一化濃度初始值
? A：反應速率常數(1/s)
? R：氣體常數8.314J/(mol*K)
? m、n、p：反應級數
在0.1C與0.2C的電流下，基于TAITherm軟件和上述模擬方案進行電池的過充電熱失控仿真，反應結果如下圖所示。由仿真結果可知，在過充電條件下，電池發生熱失控的時間受過充電電流大小的影響，電流越大，發生熱失控的時間更早，且生熱量更大，即熱失控導致的溫度更大。因此，在使用過程中應防止鋰離子電池發生過充電現象，尤其是大電流過充電情況的發生，并注意對電池進行良好散熱，防止發生熱失控現象。不同充電電流下單體電池的溫度變化情況不同充電電流下單體電池的生熱量變化
當然，我們也可以對其他引起熱失控的場景進行模擬分析，比如，通過在TAITherm軟件中設置指定的環境溫度可以模擬由于環境溫度過高引起的熱失控；通過設置電模型的充放電電流大小模擬由于快速充放電引發的熱失控；通過電池包模擬由于輻射與熱對流造成的單體電池之間的熱失控擴展，用于評估抑制熱失控發生與擴展的策略等，以后有機會繼續跟大家交流。
經緯恒潤
北京市海淀區知春路7號致真大廈D座6層
郵箱：market_dept@hirain.com
網址：www.hirain.com
展開 專家解讀新能源車自燃的罪魁禍首：鋰電池熱失控
同樣在4月，在上海某車庫停放的一輛特斯拉Model S發生自燃，緊接著在5月，香港一家購物中心停車場再次發生的特斯拉電動車自燃，據統計自2013年以來該品牌已發生至少14起起火事故，隨后的調查結果也初步顯示起火原因是由位于車輛前部的單個電池模組故障引起...
可謂是一波未平一波又起，諸多電動汽車品牌頻繁發生電池起火事故，盡管對發生自燃事故起因的探究各方觀點不一，到底是模組內個別線束走向不當，引起在極端情況下受到擠壓和磨損造成短路；還是電池包與模組之間出現了“結構干涉”，極端條件下出現采樣線束短路。但毋庸置疑導致此類事件的“罪魁禍首”是電池模組短路，短路，尤其是內部短路，會使得電池急劇升溫，如果此時沒有其它控制溫度的措施，可能會引發熱失控的反應，最終導致熱失控，而在電池包標準中，按規定將正負極短接一段時間內，要求電池包是不能熱失控的。
隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，提高其安全性對電動汽車的發展至關重要。熱失控是電池安全研究中的一個關鍵問題。對熱失控機理進行了全面的總結，其中可能導致熱失控的濫用情況主要包括機械濫用、電氣濫用和熱濫用。典型機械濫用包括碰撞、擠壓和穿刺，會導致電池結構破壞性變形和位移；機械濫用往往會帶來內部短路。典型的電氣濫用包括外部短路、過度充電和過度放電。針對以上的機械濫用、電氣濫用和熱濫用，ANSYS均有完整的解決方案。
展開 
基于電池熱導率測量的電池監測方法
來源 | Nature Communications
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背景介紹
鋰離子電池是手機、電動汽車等產品的核心儲能器件。特定運行工況（如極端溫度和倍率）容易造成電池的過早衰減和熱安全問題。深入理解真實世界的電池衰減是提升實際應用中電池壽命、安全性及可靠性的關鍵，依賴于先進的電池傳感技術。多種傳感信號已被用于電池監測，如溫度、壓力、電化學、聲學及光學等，然而，大多數現有傳感技術具有復雜、嵌入式和定性的特點，難以用于長期獲取商業電池的定量衰減信息。
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成果掠影
近期，南方科技大學曾玉強助理教授課題組在電池傳感領域取得新進展，建立了電池衰減相關的熱導率模型，將電池熱導率作為電池衰減的定量監測指標，提出了一種非嵌入式的電池衰減定量評估手段。在前期工作中，團隊以電極熱導率為傳感信號，基于電極熱導率和鋰離子濃度之間的定量關系，量化了電極厚度方向的熱導率和鋰離子濃度的空間分布。在此基礎上，團隊利用電池熱導率對電池結構變化的強依賴性，將其作為電池衰減的定量指標。根據團隊建立的電池熱導率模型，電池的兩種主要衰減機制對其熱導率有著相反的影響：析鋰會降低負極顆粒與隔膜之間的緊縮熱阻而提高電池熱導率，電解液消耗則會降低流體部分的有效熱導率而降低電池熱導率。基于電池熱導率模型，團隊開發了熱傳感方案，用于電池衰減的非嵌入式監測和定量評估。該方案由電池熱導率模型標定和熱導率實時測量兩部分組成。概念驗證研究表明，由實時測量的熱導率變化及趨勢，可以反推電池衰減源的演變過程，進而定量區分鋰沉積以及與副反應和鋰沉積相關的電解液消耗。以不同熱管理條件下的電池快充為例，高溫抑制了鋰沉積導致的電池衰減，但加速了電解液的消耗，兩種衰減機制之間的平衡決定了電池的最佳運行溫度。
展開 淺析動力電池熱失控機理和仿真分析
熱失控防范具體要從一下幾個方面具體展開：電芯/電化學、模組成組、溫度的控制、電壓的控制、材料選擇、系統熱管理、機械電氣。確保每個環節做到安全，才能保證系統的安全。
1、過溫保護
針對高溫熱源引起的鋰離子電池溫度過高，應盡量減少或避免車輛在高溫條件下長期行駛和放置鋰離子電池自身溫度過高，由于過充電時電池內部產熱增多，造成其溫度過高，應設置過溫預警和保護裝置，根據不同類型電池的性能和耐溫特性，設置不同溫度閾值，裝置根據監測溫度執行不同的報警提示或保護動作。
2、改善散熱條件
根據實際情況選用風冷、液冷和相變材料冷卻等冷卻方案使電池在穩定的溫度區間工作
此外，通過確定上述各散熱方案能進行有效冷卻的溫度范圍，根據情況設定不同的溫度閾值，對鋰離子電池溫度進行實時監測，當監測到溫度達到某一閾值時啟用相應的散熱措施，達到散熱良好和節約成本的雙重目的。
3、優化電池組結構設計
電池模組的設計對電池散熱和溫度也有一定的影響。可在電池單體及模組表面加貼高導熱片以及改善單體之間的排列和間隙設置，使電池能夠良好地散熱，也可通過改善電池箱體用材料，如新材料：導熱石墨、鋁—鋰合金等，進一步提升電池箱體的散熱性能，使其散熱良好，防止熱失控現象的發生。
4、提高材料穩定性
電池高溫條件下的溫度變化情況知，組成鋰離子電池材料的熱穩定性是影響鋰離子電池熱安全性的主要原因之一。提高材料穩定性和減少各副反應的產熱量可以提高鋰離子電池的熱安全性。
5、過充保護
通過對過充電熱失控仿真知，鋰離子電池過充電尤其是大電流過充時，將發生熱失控的危險。
展開 新能源汽車電池熱失控著火，檢測預警用什么傳感器？
是什么造成新能源車電池自燃？如何通過技術手段檢測發現可能產生的問題？能否通過傳感器設備及時發現問題？
什么是電池熱失控？
電池熱失控是指電池持續放熱的連鎖反應，導致電池組溫度急劇上升，進而引發電池燃燒事故的過程。熱失控有三個過程，誘發、發生到蔓延，其中引發熱失控的主要原因是過熱、過充、內短路、碰撞等因素。
為何新能源車電池著火速度很快？
新能源汽車采用的一般都是鋰電池，屬于化學電池，某些極端情況下會導致電極短路，化學反應比較劇烈，被破壞的電池發熱燃燒，此外車內有很多易燃物，比如汽車座椅等會加速火勢蔓延。
如何通過技術手段檢測發現可能產生的問題？
電池管理系統 (BMS)是電動汽車動力電池系統的重要組成，作用是監控電池狀態，保障運行安全。通過配備不同的傳感器，BMS可以監測和收集比如溫度、壓力、異常氣體、煙霧等，診斷到故障后，發出預警，并要求整車控制器進行有效處理，以防止高溫、低溫、過充、過放、過流、漏電等對電池和人身的損害。
需要提前多久提示車主，才是安全的？
今年我國正式發布和實施了三項強制性國家標準（《電動汽車安全要求》、《電動客車安全要求》和《電動汽車用動力蓄電池安全要求》）來進一步規范電動汽車的安全標準。其中增加了電池系統熱事件報警信號及電池系統熱擴散試驗的標準，要求電池單體發生熱失控后，電池系統在5分鐘內不起火不爆炸，為乘員預留安全逃生時間。相信隨著技術的發展，電動汽車的安全性將得到進一步地提升。
不少社區禁止安裝充電樁，擔心靜止狀態下新能源車會自燃或發生充電過程的事故，能否通過傳感器設備及時發現問題？
這個問題回到了剛剛提及的BMS電池管理系統，該系統就是用來監測電池的實時狀態，預警問題的發生，包括電壓、氣體、煙霧、溫度、壓力等不同維度，全面監測電池的健康狀況。
展開 應用COMSOL APP分析鋰電池熱失控蔓延防控措施
而對于電池來說，最大的安全事故就是電池的熱失控，電池的熱失控，嚴重的時候將會導致電池出現自燃，當電池的熱失控到達一定的溫度之后，就會出現不可控的自發熱狀態，一旦自發熱熱源超過電池散熱能力，會導致電池內部的溫度直線上升，然后就會燃燒爆炸和釋放有毒氣體。實驗中用高速攝影機記錄了熱失控噴發全過程，從測試中發現了噴射流呈現了氣-液-固三相共存的特征，其中氣體噴射速度高達137m/s。</p><p> </p><div contenteditable="false" width="100%"><div><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202112/7d2962069e934c89a2dfd4b8a20904a9.png" title="QQ圖片20211209212621.png" alt="QQ圖片20211209212621.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/7d2962069e934c89a2dfd4b8a20904a9.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/7d2962069e934c89a2dfd4b8a20904a9.png?
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