熱失控的案例
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 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 
淺析動力電池熱失控機理和仿真分析
二、熱失控原因
電池熱失控的誘導因素較為復雜，且鋰離子電池具有較高的溫度敏感性，非常規工作溫度會導致電池內部副反應加劇，產熱增加，從而引起電池溫度升高。如果無法及時散熱，電池可能會進入熱失控狀態。熱量的持續積累會造成鋰電池溫度的持續升高，當溫度升高到200oC以上時，會誘發燃燒甚至爆炸等事故。
具體分為以下：
1、能量傳導
熱能傳導：當電池發生熱失控時，通過電池正面接觸而產生的側向加熱非常劇烈，導致被加熱電池內部在厚度方向上溫度梯度變大，由于電池前端面溫度達到熱失控觸發溫度進而產生熱擴散。
2、電能傳導
某一電芯單體熱失控與隔膜大面積收縮造成內部短路，這兩者可互為因果關系，最終都會造成發生熱失控的電芯能量迅速下降。在電池模塊并聯單元中，其他電芯會向發生熱失控的電芯放電，導致發生熱失控的 電芯溫度升高更多，同時，靠近已發生熱失控單體的電芯將比遠端電芯以更大功率放電，導致其溫度迅速升高，從而促進熱失控的擴散。
3、機械能傳導
某一電芯單體發生熱失控，可能會對模組機械結構造成影響，或者其發生爆炸造成瞬間大量能量釋放，對其周邊的電芯也會造成一定程度的機械損傷，而這些機械損傷將增加其周邊電芯發生失效的風險，嚴重 時可直接導致其周邊電芯發生熱失控。
4、其他
電池發生熱失控時會噴出高溫氣體和顆粒混合物，這些氣體具有可燃性，極易發生火災，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產生的火焰會加熱周圍電池，從而加速熱擴散的進程。
三、熱失控防范
乘員安全最終是目的和出發點，也是最高標準前端某一環節的絕對安全，才能確保最終的乘員安全。
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。
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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 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 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 淺析“碳中和”戰略中鋰電池熱失控機理、COMSOL仿真和對策
教程鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c16490
基于上述基礎模型，擴展研究分別建立了32650單體熱濫用失控仿真模型、軟包模組的熱失控蔓延模型、軟包單層穿刺熱失控模型等等。
① 32650單體熱濫用失控仿真模型
熱失控溫度峰值時候，模型展示的溫度分布。右邊展示了仿真結果和實驗數據的對比。
在此模型基礎上，繼續研究了不同電芯初始容量對熱失控的影響。
電芯初始容量越高，熱失控的峰值溫度越高，對后續的蔓延有一定的影響。
② 軟包模組的熱失控蔓延模型
原文鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794975
實驗采用三顆三元軟包電池，從左到右編號 1,2,3 。
對1號電池單側加熱直到熱失控，電芯之間采用不同厚度的隔熱物質，模型定量的計算了電芯之間蔓延的時間，分析不同厚度、不同屬性的隔熱物質對蔓延時間的影響。
這個模型是未來進行熱失控阻斷的基礎模型，也可以使用在對機器學習的訓練上，幫助機器學習算法準確預測熱失控。
③ 軟包單層穿刺熱失控模型
原文鏈接：
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1788316
鋼針插入電芯右側，引起短路導致電流匯聚并產生大量熱量
隨著溫度升高導致熱失控發生
comsol電化學仿真計算出來的電壓變化曲線，在刺穿不同電化學層時，體現出來的電壓臺階。
在3秒~5秒之間，穿刺的深入，電壓迅速降低到0V附近。軟包電芯針刺區域最高溫短時間內上升到接近300度。
展開 應用COMSOL APP分析鋰電池熱失控蔓延防控措施
其中有的是立即發生熱失控，如鋁和負極的接觸；而正極和負極接觸一般不會發生熱失控；<strong>鋁和銅接觸的危險程度也比較高，但是不一定馬上引發內短路</strong>。</p><p> 對于實際模組管理中，可以<strong>通過應用數值仿真輔助的一致性差異檢測，辨識出來早期的內短路個體電池</strong>，對潛在的熱失控做早期的隔離、熔斷和必要溫控措施。當然，除了早期防范外，系統設計也應當考慮到極端的熱失控燃爆對周圍電芯的影響，極力避免大量電芯被蔓延，引起重大事故。</p><p> 一般情況下，熱蔓延抑制設計包括隔熱設計和散熱設計、噴淋設計，隔熱設計是利用不同隔熱材料防止模塊熱蔓延，散熱設計是不同液冷流量對熱蔓延進行抑制，<strong>噴淋設計是在自動識別關鍵溫度和特征后啟動一定量的冷液噴淋，快速降低目標自發熱電芯溫度。</strong></p><p><br></p><p> 此次采用Comsol<strong>設計了一套關于少量電芯模組的熱失控仿真模型APP，</strong>采用緩慢內短路內發熱逐漸引發熱失控的方式。其中引入了智能噴淋功能，預測不同噴淋控制參數帶來的防控效果。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202112/9508625c54f348a09993aeae38a0e523.png"></p><p><br></p><p>此次設定在約110~120度時啟動持續噴淋，可以看到當達到閾值的噴淋降溫能力后，熱失控被壓制住。
展開 
2025大賽優秀作品 | 大容量磷酸鐵鋰電池熱失控期間相變吸熱與噴發研究
前者用于預測電池內部氣壓，后者用于計算三維的電解液吸熱行為；
設計：電解液在卷芯內局部滲透性不宜過差，過差可能導致熱失控提前。安全閥開啟壓力不應過低，過低同樣會導致熱失控提前。
參賽作品一覽
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 專家解讀新能源車自燃的罪魁禍首：鋰電池熱失控
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。ANSYS LS-dyna及Mechanical可以模擬機械濫用過程中電池結構的變形和破壞，ANSYS FLUENT有專用的鋰電池熱失控模型，針對外部短路，內部短路以及最終熱失控反應都有極佳的建模仿真，可以幫助客戶提升鋰電池的安全性，充分運用仿真技術，加強電池模組的安全技術研發和測試驗證，規避電池模組故障，保障在用車輛安全。
本文我們主要介紹ANSYS FLUENT在熱失控仿真中的應用。欲了解更多鋰電池及燃料電池仿真設計解決方案，可報名參加7月23日在上海舉辦的 “ANSYS鋰電池及燃料電池研討會” 。
展開 做到這些，熱失控將不再是鋰電池安全的不治之癥！
Veith等人[10]試圖在根源上避免外力導致的鋰電池內短路發生，設計了一種具有剪切增稠特性的電解液（圖3），該電解液利用非牛頓流體的特性，在正常狀態下，電解液呈現液體狀態，在遭遇突然的沖擊后則會呈現固體狀態，變得異常堅固，甚至能夠達到防彈的效果，從而從根源上避免了在動力電池發生碰撞時電池內短路導致熱失控的風險。
圖3. 剪切增稠電解液示意圖
五、導電劑與粘結劑
導電劑與粘結劑的種類與數量也影響著電池的熱穩定性，粘結劑與鋰在高溫下反應產生大量的熱，不同粘結劑發熱量不同 , PVDF 的發熱量幾乎是無氟粘結劑的2倍 ,用無氟粘結劑代替PVDF可以提高電池的熱穩定性。Jigang Zhou等人[11]最近還通過將復雜復合電極熱失控前后的相分布進行單個電極顆粒層面的成像，并將多種相分離現象在熱失控前后的相關性進行了納米級別的可視化，發現熱失控可能與導電劑以及粘結劑的分布呈現密切的相關性。他們創新性地將具有元素及軌道選擇性、化學與電子結構敏感性的透射X光掃描顯微技術(PEEM)用于研究熱失控下鈷酸鋰層狀電極顆粒在多孔電極中相分離中的行為。熱失控前后相分離在單個電極顆粒層面呈現出超乎預測的不均勻化。這種不均勻化與顆粒尺寸、晶面結構相關性不明顯，但與導電劑以及粘結劑的分布呈現密切的相關性。
鋰離子電池熱失控嚴重威脅著使用者的生命還財產安全，提高鋰離子電池的安全性、避免熱失控的發生不僅需要從電池材料上做出改變，還需要結合電池配方設計、結構設計和電池組的熱管理設計上多管齊下，共同提高鋰電池熱穩定性，減少熱失控發生的可能性。
來源：材料人
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