熱失控防護的案例
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 電池熱失控的仿真和優化
引
言
我們來看一下AVL整理的這一份WEBINAR里面有價值的地方，這份材料主要是介紹熱失控設計防護仿真的，又恰好是用的比較用的多雙排大模組。
為什么說，無熱擴散技術是動力電池安全的基石？
▲圖2.中國領先于全球率先
在電池熱失控擴展實驗中積累了很多
隨著2021年的推進，中國電池企業的動力電池和車企，開始在電池安全技術方面不斷發布技術，主要包括：
▲圖3.不完全統計時間線的熱不擴散電池
●電池企業
寧德時代、弗迪電池、欣旺達、蜂巢能源
●汽車企業
比亞迪、江淮汽車、廣汽乘用車、東風嵐圖、長城汽車、吉利極氪
時間軸主機廠&動力電池廠商技術概覽
◎2020年01月
比亞迪的刀片電池
◎2020年03月
江淮的蜂窩電池
◎2020年09月
寧德時代推出NCM811 NP電池
◎2020年12月
蜂巢能源發布的果凍電池
◎2020年12月
欣旺達推出不起火電池
◎2021年03月
廣汽推出彈匣電池
◎2021年03月
東風嵐圖推出琥珀電池
◎2021年06月
長城推出大禹電池
◎2021年07月
極氪推出極芯電池
這一系列的電池系統的發布，都是在電池熱失控擴展實驗5分鐘的基礎上，達到電池熱失控不擴展的效果。但如2022年“兩會”期間，人大代表、長城汽車總裁王鳳英“推動動力電池熱失控防護技術應用”的提案所言，以動力電池熱失控防護為方向，多家車企推出相關安全技術，但由于業內認識不足，新技術推廣應用遠不及預期。
因此，在標準制定層面，工信部也發布了2022年汽車標準化工作要點，明確提出要啟動動力電池安全標準修訂，提升熱失控預警和安全防護水平。所以從這個意義上來看，在未來的標準修訂中，可能會從強制性標準角度提高熱擴散要求，大幅提高安全門檻。
展開 企業工程師怕項目搞不定？技術鄰Ansys培訓高效破局
技術鄰Ansys熱仿真定制培訓針對性解決企業工程師“項目沒經驗、結果不對標、時間緊”三大痛點，讓工程師快速輸出可靠結果，不影響項目交付與個人業績，已幫助500+企業工程師順利攻克電池、加熱密閉箱體等領域熱設計難題。
在工業研發數字化進程中，Ansys熱仿真已成為解決電池快充熱堆積、加熱密閉箱體溫度不均等核心問題的關鍵技術，但企業工程師在實際應用中常陷入三重兩難困境：一是公司項目涉及熱設計需求（如新能源電池包熱失控防護、工業烘箱溫度管控），自己卻缺乏相關工程經驗，擔心仿真結果出錯影響項目推進與職業晉升；二是仿真結果與實驗數據偏差較大（如電池電芯溫度計算值比實測高15%），客戶不認可，導致項目驗收受阻；三是項目交付周期緊張（如1個月內需完成電池熱仿真優化方案），沒時間反復試錯摸索。針對這些痛點，技術鄰依托服務500+企業的實戰經驗，打造專屬解決方案，讓工程師全程無后顧之憂。
針對“項目沒經驗”的核心痛點，技術鄰徹底摒棄“先講理論、再練通用案例”的傳統模式，直接以工程師的實際項目模型為教學核心，傳授可直接落地的工程化技術方案。
展開 
淺析動力電池熱失控機理和仿真分析
6、熱失控預警
鋰離子電池尤其是高能量密度、大容量的三元鋰離子電池，一旦著火，火勢迅速蔓延，情形十分嚴峻。實際應用中，因各種因素的影響，鋰離子電池濫用的情況難以完全避免。為了進一步減少熱失控的傷害，要做到預防為主、防患于未然。因此，對鋰離子電池熱失控的情況設置防護預警機制顯得尤為重要。
解決熱失控問題需要從多尺度、多學科的角度出發，綜合考慮材料、單體、系統等不同的熱安全策略，主要涉及新電化學體系、材料體系的開發、單體安全設計以及系統控溫技術等，旨在抑制副反應、減少產熱量、提高散熱能力以及阻止熱害擴散等。安全材料體系開發是解決熱失控問題的根源，但就目前而言，安全的材料體系在短期內依然無法實現商業化應用，因此，應該進一步發展更加有效的電池設計、熱管理方法來確保鋰離子電池的熱安全性。
四、熱失控仿真
熱失控的分析流程可從電池單體仿真、模組/電池包仿真、電池包測試和驗證，通過測試對仿真的模型進行設計優化。動力電池熱仿真涉及到電-化學仿真、電池熱管理仿真、系統級熱管理仿真。
1、電-化學仿真
電池單體詳細的電化學過程研究
電化學仿真為電池老化的檢查與評估提供了條件
在同一個仿真工具中可以同時進行熱管理和電-熱分析
性能仿真可擴展性
2、電池熱管理仿真
高精度的電池及相關零部件熱管理仿真。
能夠考慮各類熱損失，以更加詳細地考慮溫度場分布
基于有限容積法的多物理場仿真，對固體和流體區域的換熱進行在線耦合仿真，更加準確地再現冷卻過程。
展開 新能源車前瞻技術研究之一：新能源車自燃問題分析 ￥500
熱失控防護關鍵影響因素眾多，材料熱穩定是基礎，系統防護是核心。針刺試驗成為電池安全測試標準，比亞迪選擇全面切換至鐵鋰電池，其余大多數企業選擇鐵鋰、三元兩條技術路線。三元材料穩定性差，電芯無法安全通過針刺，主要通過加強系統級防護，使得電池包通過針刺試驗，即使發生單電芯熱失控，也不會危及乘客和整車，只需更換電池包即可。
汽車電池熱管理熱失控原因及預防策略介紹（附視頻教程）
汽車電池熱失控是指電池在特定條件下，?內部溫度急劇上升，?導致電池無法控制地進入不可控狀態，?嚴重時可能引發電池自燃甚至爆炸。?這種狀態通常由幾個關鍵因素引起，?包括過熱、?過充、?內短路和碰撞等。?當電池的熱失控達到一定溫度后，?電池內部的溫度會直線上升，?從而導致燃燒爆炸。
我們時不時會在新聞中看到電動汽車起火的事故，電動汽車起火事件中，很多時候都與汽車電池有關。作為電動汽車的“心臟”，電池組的設計、制造、使用和維護等環節都可能存在安全隱患。一旦電池出現問題，就可能殃及其他。
所以今天我們就來剖析一下汽車電池熱失控的那些事。
part1「汽車電池熱失控原因」
汽車電池熱失控的原因主要包括過充電、?過放電、?過負荷、?外部短路、?內部短路、?絕緣性下降以及電芯熱失控。?
過充電和過放電：?長時間充電電流過大或電壓過高，?或動力電池長時間處于過度放電狀態，?都會導致電池內部壓力過大，?進而引起電池內部溫度升高，?最終引發熱失控。?
過負荷：?電動汽車動力電池在使用過程中若長時間處于過載狀態下，?也會造成熱失控。?
外部短路和內部短路：?短路故障通常由于過充電和過放電導致，?電池內阻增大后，?電解液分解出氣體，?引起氣體膨脹和爆炸，?產生大量熱量，?導致電池內部溫度迅速升高，?進而引起熱失控。?
絕緣性下降：?電池絕緣性能下降，?可能導致電池內部短路，?從而引發熱失控。?
電芯熱失控：?電芯熱失控是導致電動汽車動力電池熱失控的主要原因之一，?涉及到電池內部壓力過大和溫度升高的問題。?
part2「為何汽車電池熱失控無法預測」
汽車電池熱失控無法預測的原因主要在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。?
展開 鋰電儲能系統熱失控防控技術研究進展
1.2 特征溫度規律
Feng等揭示了熱失控特征溫度規律，認為熱失控有3個特征溫度T1、T2、T3，如圖3所示。T1為自產熱起始溫度，從此溫度開始，內部活性物質開始具有明顯的放熱反應，此階段各反應有重疊發生且持續時間長；T2為熱失控觸發溫度，此溫度代表電池內部發生內短路，熱失控此時發生，溫度瞬時升高，氣體產生并迅速積累，容易形成射流火焰；T3為熱失控最高溫度，表示電池在熱電化學能量都被釋放出來時電池可達到的最高溫度，此溫度一般對應最高的熱釋放速率，幾乎和熱失控觸發溫度T2同時出現。Zhang等、Liu等和Zhao等利用不同濫用方式觸發熱失控的研究均驗證了此規律的正確性。據此，可將熱失控劃分為3個時期：T1～T2為熱失控早期，T2～T3為熱失控發生期，T3之后為火災初期。熱失控特征溫度規律可為熱失控防控技術與措施提供參考，即如果能在熱失控早期將熱失控演化的信號識別出來，就可以避免火災事故的發生。
圖3熱失控特征溫度規律
1.3 熱失控產氣規律
電池熱失控致使火災事件發生，電池內部副反應除了貢獻了熱量，還釋放了大量可燃、有毒氣體。可燃氣體在電池殼密閉空間迅速產生形成了鋰電池火災的特殊現象射流火。結合目前對熱失控氣體成分的測量發現，產生的共性氣體有CO、H2、CO2、CH4、C2H6、HF、電解液蒸汽等。對熱失控產氣規律的認識有助于理解電池的燃爆特性并提供防控思路。進一步地，Mao等建立了18650型鋰電池的集總模型，填補了熱失控過程中關于氣體產生速率和射流速度的知識空白。Li等根據熱失控噴發氣體火災三角形，指出打破火災三角形邊界任何一個因素都可以阻止熱失控氣體著火。此外，Zhang等對氣體毒性進行了評估，Mier等提供了計算電池內部壓力積聚的方法，增進了對熱失控產氣的認識。
1.4 內短路機理
Maleki等采用實驗和熱建模的方法研究了內短路。
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 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 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
image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202103/770788e82a794efc8c6e5b04d3bef4bb.gif">
</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.
展開 不同老化路徑對鋰離子電池熱失控行為影響對比研究
在熱失控特性演變方面，電池正極材料的熱穩定性在全生命周期內無明顯變化，電池熱失控特性演變主要取決于負極材料+電解液反應體系的變化。其中，負極析鋰將導致電池熱失控溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低，熱失控特性急劇變差。負極SEI膜增厚本身對電池熱失控特性影響不大。然而，當SEI膜增厚消耗大量的可用鋰離子，引起負極嵌鋰量明顯下降時，電池負極材料的熱穩定性將會提升，相應地，電池的熱失控特性也會變好，具體表現為自產熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。電解液消耗將導致電池熱失控釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。
4.總結
作者研究了不同老化路徑對鋰離子電池熱失控行為的影響，發現老化過程中正極發生的副反應（包括正極顆粒破碎、CEI膜增厚以及過渡金屬溶解等）對電池熱失控特性演變無明顯影響，電池全生命周期熱失控特性演變主要取決于負極材料+電解液反應體系產熱特性的變化。具體地，電解液消耗會引起電池熱失控釋放的總能量減少，最高溫度T3降低。SEI膜增厚引起的負極嵌鋰量明顯下降將導致負極材料的熱穩定性提升，引起電池自產熱起始溫度T1升高，熱失控溫升速率降低。然而，負極析鋰將導致電池的絕熱熱失控性能急劇變差，具體表現為熱失控溫升速率明顯增加，T1和T2大幅降低。
—— 感謝閱讀 ——
展開 