熱失控監測的案例
鋰電儲能系統熱失控防控技術研究進展
深入理解鋰電池熱失控特性及演化過程才能獲得可靠和先進的監測預警、抑制、滅火、抑爆技術。（2）在儲能電站監測預警方面，電信號、溫度信號和氣體信號作為單一的監測信號預警效果較差。未來需要構建以電信號為基礎，溫度和氣體信號為核心，煙霧和火焰信號為輔助的電-熱-氣-煙-光多參數耦合的熱失控全過程監測預警技術，并根據預警結果，提供相應的事故處置措施，如熱失控早期熱管理，熱失控發生期斷電冷卻、抑制，火災初期進行滅火。（3）在熱失控抑制、滅火和抑爆技術方面。熱失控發生期，利用阻隔技術將熱失控模組數量限制在一定范圍內，之后對其進行冷卻降溫，可有效防止火災事故的發生，實現儲能電站熱失控的安全應對。在火災初期，要針對鋰電池火災特點利用既能熄滅氣體火災，又能高效降溫的滅火介質或滅火技術抑制儲能電站火災。同時，儲能電站鋰電池熱失控后容易出現氣體擴散、運移在受限空間積聚后延遲點火發生爆炸的特征現象，可據此開發有效的通風稀釋、惰化和抑爆技術。
（本文來源：微信公眾號“儲能科學與技術”ID:esst2012 作者：喻航 張英 徐超航 余思瀚 單位：武漢理工大學安全科學與應急管理學院）
展開 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
通過對儲能事故分析發現，造成事故的主要因素有以下幾點：鋰離子電池熱失控。儲能電池單體因質量缺陷、機械損傷、受熱或外部短路等導致鋰離子電池內短路，引發電池熱失控起火，在熱濫用的作用下，整個電池模組和電池簇被點燃甚至發生爆炸。
什么是電池熱失控？
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。
展開 儲能產業鋰電熱失控氫氣泄漏監測
其中最具破壞性的故障模式并非單一電芯失效，而是級聯熱失控——即單個電芯故障觸發相鄰電芯連續失效，最終演變成難以控制的火災甚至爆炸，對電池、周邊設備甚至人員造成嚴重危害。
而在這場與時間賽跑的安全攻防戰中，氣體監測，尤其是極早期的氫氣探測，正在成為守住安全底線的第一道關卡。
鋰電熱失控時，電池釋放的氣體成分
鋰離子電池在出現異常時，會產生多種氣體成分，包括氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）以及烴類VOC氣體（如碳酸甲乙酯EMC、碳酸二甲酯DMC等）。這些烴類VOC氣體通常是電解液中的有機溶劑或其熱分解物。一旦鋰離子電池異常發熱，樹脂材質部件和電解液就會開始熱分解，隨著內部溫度的上升，各種氣體逸散出來。
※ EMC : 碳酸甲乙酯 (Ethyl Methyl Carbonate)、 DEC : 碳酸二甲酯 (Diethyl Carbonate)
DMC : 碳酸二乙酯 (Dimethyl Carbonate)、 EC ： 碳酸乙酯 (Ethyl Carbonate)
熱失控的真實工況下，風機失效的原因
在儲能系統設計中，通風與冷卻設備（風機或空調）被視為控制氣體積聚、降低溫度的關鍵手段。但現實是：在熱失控的真實工況下，風機常常因極端環境而提前失效。
電芯噴射的氣體溫度可達數百攝氏度，流速高且夾雜顆粒物與腐蝕性成分。單個電芯熱失控時，風機尚可維持運轉；但當局部多芯（3-10個）或大規模多芯（超過10%電芯參與）發生熱失控時，高溫、濃煙、氣流沖擊以及控制保護邏輯觸發停機，風機極有可能在氣體最需要被排出的時刻停止工作。
一旦風機失效，可燃氣體在密閉儲能柜內快速積聚，濃度可在短時間內逼近甚至達到爆炸下限（LEL）。此時若出現點火源，過壓爆炸將造成毀滅性后果。
展開 
“雙碳”目標下新能源汽車推廣加速，需要注意電池安全
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。其中，對于電池熱失控測試的要求與新國標里的要求基本相同，并且預計今后會陸續在各國推動執行。
電池內部某個電芯的熱失控，往往遠早于發現車輛自燃的時間。
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）
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。?當某個電池單體出現溫度異常時，?這些設備能夠迅速切斷異常電池與其他電池之間的聯系，?防止熱量擴散，?從而保證整個電池包的安全。?
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 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 如何看待熱失控防護措施的迭代？
▲圖1.沃爾沃設計的電池系統
Part 1 熱失控防護技術迭代
中國是最強調熱失控防護技術的國家，核心還是中國的企業特別多，應用領域也很分散，所以這個領域其實國內是走在世界前列的（燒的多了，自然也就成為一個顯性問題需要大家來克服）。
我的理解：
第一代熱失控防護方案：
對圓柱來說最簡單，特斯拉的設計結構是最為典型的，方形的難度更大已突破，軟包的實現難度難度最高。三種電池技術，都是圍繞加強隔熱，加快散熱為主要技術手段。通過單體釋放能量、單位散熱能力、周邊電芯隔熱能力等多維度定量分析。
?圓柱電池
這種設計的原則是通過一定的空間進行隔離，然后通過填充隔熱材料來充分把電芯熱失控條件下的熱量隔開。在熱失控傳播條件下，這種材料阻隔單個5Ah以上電芯散發出來的能量。
▲圖2.典型的21700圓柱熱隔絕的示意圖
在4680的時代，整個設計邏輯也是相似的，只不過按照調研的情況，電芯的開閥方向和我們之前理解的不一樣，是往下噴射，并且采用了隔熱材料防止用戶感知到會恐慌。CTC時代腳底下就是一層電池，所以需要隔熱材料進行防護。
▲圖3.電芯之間的空隙成了核心關鍵了
?方殼設計
其實每家的設計都是趨同的，分為電芯層面的隔絕、電連接的隔絕。
▲圖4.方殼模組熱設計示意圖
這一波使得做材料的廠家特別開心，如下圖所示，以3M為例，圍繞這套熱隔絕技術形成了一系列的譜系，你按著材料標號選就可以了。
后續類似杜邦、陶氏、BASF都可以玩得起來，我個人覺得這種堆材料解決問題的辦法增加的成本太多，和當前需要和特斯拉PK成本的，加這么多材料是按照千來算的。
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 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 
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。
電動汽車動力電池熱失控過程分析及預警機制設計
在所有的事故原因中，熱失控問題占有很大比例。本文通過對動力電池熱失控過程的分析，設計出一套熱失控預警系統。這樣至少保證在整車發生熱失控之前能夠通知到車內的乘客，避免造成人員傷亡，同時能夠盡量減少事故帶來的財產損失。
一、熱失控過程分析
鋰電池的熱失控主要是由于電池內部產熱速率遠大于散熱速率，在電池內部積累了大量的熱量，從而引發單體電池的著火或爆炸。單體電池的熱失控又會擴散到整個電池系統，導致整個電池系統甚至整車的起火或爆炸事故。
為研究動力電池系統熱失控發生的過程，我們外接熱源的方式對電池進行加熱從而引發熱失控。試驗表明，在單體電池發生熱失控時伴隨有電池電壓的變化、電池及環境溫度的變化、電池包內氣壓的變化及氣體成分的變化。我們將出現異常的的信號分為溫度、電壓、氣壓（或氣體成分）三個大類，分別進行分析。
針對溫度信號在熱失控過程中的分析：電池的溫度在熱失控發生前會有一個持續的較快速率的上升過程，如圖1數據所示（橫軸時間單位為秒，縱軸溫度單位為℃），在前720秒的時間內，溫度從室溫25℃持續升高到62℃。隨后發生單體電池的熱失控，溫度急劇上升到430℃。第一節電池能量釋放完之后溫度會下降，到第787秒第二節電池熱失控，同樣溫度短時間內急劇上升。如此發生連環性的熱失控反應，最后整個電池包都發生熱失控。
針對單體電池電壓信號在熱失控過程中的分析：電池的電壓在熱失控發生之前基本維持在平臺電壓保持不變。在熱失控發生的瞬間，實測在2秒內電壓會下降到1V以下。圖2（橫軸時間單位為S，縱軸電壓單位為V）中符合以上特征，第一個發生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4.13V，在第720后開始急劇下降，到第722秒幾乎降到0V，之后由于檢測電壓的電路受損燒毀均為無效值。
展開 汽車鋰電池熱失控與熱管理全新解決方案及新能源電控系統優化方案介紹【8月8日直播】
*精彩直播預告
鋰電池作為主要動力電源之一已被廣泛應用于各個行業，因其高能量的特點，預防電池熱失控進行電池熱管理控制一直是被企業重點關注的問題。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工作，而如何有效的預防鋰電池熱失控進行熱管理是企業面臨的嚴峻挑戰。海克斯康工業軟件旗下的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易平衡模型，同時還具備詳細電化學P2D模型，可以對單電池以及整體電池包進行熱仿真。針對電池熱失控問題，現有1D-3D耦合方法計算量大、輸入參數多、計算時間長等問題存在，Cradle CFD軟件開發了新的電池組的半經驗模型，可以給工程師提供高效的工作流程，快速計算開發出強大的鋰電池產品。
本期海克斯康直播講堂請到了流體仿真專家李晶博士為我們詳細講解鋰電池熱失控和熱管理全新解決方案，同時幫助用戶了解并結合機器學習優化新能源電控系統解決方案，最后傳遞IGBT等快速傳熱分析所用的BCI-ROM新方法，超多干貨，精彩不容錯過！
8月8日 14:00
▲ 掃碼參與報名立即預定
直播內容聚焦
?? 電池整體解決方案：
解決多尺度問題
解決多物理場問題
?? 電池熱安全解決方案；
?? BCI-ROM解決方案。
展開 基于comsol的18650鋰電池熱濫用失控分析 ￥2500
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</div><p><br></p><p><br></p><p>熱失控是鋰離子電池最嚴重的安全事故，儲存在鋰離子電池內部的電能和化學能在短時間內大量釋放，使得鋰離子電池內部的溫度甚至能夠達到900℃以上，同時熱失控中電解液、活性物質分解產生的大量氣體會導致電池內部的壓力急劇升高，甚至引起鋰離子電池的爆炸。為了保證在鋰離子電池的安全性，通常我們會在電池殼上設計一個防爆閥，在壓力過高時能夠及時被破壞，釋放電池內部的壓力，防止熱失控中電池發生爆炸。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201909/7d5c73bb95e8419ea86442e5ee7bd214.gif"></p><p> 對于18650電池而言，防爆閥設計在電池的上蓋之中，防爆閥還兼具了斷路器的功能，在電池內部壓力升高到一定程度時，防爆閥動作切斷電流回路，當電池內部的壓力進一步升高時，防爆閥結構被破壞，釋放電池內部的壓力，防止電池發生爆炸。之前我們主要是從原理上了解防爆閥的設計，由于18650電池上蓋的結構設計讓我們很難直接看到在熱失控的過程中防爆閥動作過程。</p><p> 倫敦城市學院的Donal P. Finegan（第一作者）和Paul R.
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