锂离子电池热失控预警资料整理（一）

此前 个人搜集了一些锂电池热失控预警相关期刊、文献，并整理了一些个人认为重要的逻辑、知识点，希望通过此分享让有需要的人了解一些内容，如有问题欢迎同我探讨~

锂离子电池热失控预警资料整理（一）

• • 一、锂离子电池热安全防控技术的研究进展-2020.2
  • • 1.1 特征温度下的热失控反应机理
    • 1.2 电池安全预警
  • 二、新能源汽车动力电池安全失效潜在原因分析-2021.11
  • • 2.1 新能源汽车火灾事故分析
    • 2.2 新能源汽车起火事故主要成因
    • • 2.2.1 充电问题
      • 2.2.2 碰撞
      • 2.2.3 IP防护失效
      • 2.2.4 动力电池自燃导致车辆起火
    • 2.3 动力电池自燃诱因分析
    • • 2.3.1 关键材料
      • 2.3.2 电芯设计
      • 2.3.3 电芯制造
      • 2.3.4 系统集成
      • 2.3.5 实际使用
      • • 1、滥用/综合应力作用造成电池热失控
        • 2、BMS 失效
        • 3、电池老化
    • 2.4 小结
  • 三、电动自行车火灾预警技术研究_孙超
  • • 3.1 电动自行车火灾产生的原因
    • 3.2 电动自行车火灾预警
  • 四、动力电池常见故障分析与预警方法_时玉帅
  • • 4.1 短期安全预警
    • • 4.1.1 SOC跳变故障
      • 4.1.2 单体过欠压故障
      • 4.1.3 电池过温
      • 4.1.4 电池过充过放
    • 4.2 长期安全预警
    • • 4.2.1 压差过大故障
      • 4.2.2 温差大故障
      • 4.2.3 过流故障
      • 4.2.4 总压过高过低

一、锂离子电池热安全防控技术的研究进展-2020.2

动力电池系统安全性问题主要分为 3 个层次，即“演变”、 “触发”与“扩展”。

1.1 特征温度下的热失控反应机理

2.2 新能源汽车起火事故主要成因

整体上，与电池相关的、导致新能源汽车起火的成因主要可以概括为充电问题、碰撞、泡水和动力电池自燃等因素。新能源汽车事故的常用调查分析方法按照正向或逆向逻辑顺序可以归纳为“溯源分析+事故复现法”和“诱因梳理+过程推演法”两类。其中，前者主要通过收集现场数据（包括对起火后的对象进行无损表征和有损拆解[11]、同批次样品进行对比分析、分析事故车辆的电池充放电监控数据等）定位可能的事故源，并进一步在试验室内模拟该缺陷，复现事故过程。后者则针对没有明显线索的事故，通过对可能导致电池发生失效的原因进行梳理，并从事故孕育、演化直至发生的规律进行推演，进而给出合理预测。
下面采用上述思路，对新能源汽车起火事故的主要成因进行详细分析。

2.2.1 充电问题

（1）由于电芯一致性差，导致某些单体发生过充；
（2）电池充电控制策略与电池安全使用边界不匹配，例如低温充电时导致电池内部析锂等；
（3）功能安全故障导致充电系统与电池系统无法正常协同工作，导致电池发生过充等。
其中，功能安全故障导致电池发生过充，典型案例是 2013 年某地电动大巴的着火事故。通过调取运行监测数据发现，车辆在着火之前，已经多次出现过充电现象，但电池管理系统未及时切断，整车控制器也未 警，监测平台无反馈和提示，最终导致正在充电的大巴车着火。

2.2.2 碰撞

碰撞引发的动力电池系统变形包括三个典型情形，分别是

1. 正面或者追尾碰撞引发电池包在 X 方向发生变形
2. 侧面碰撞引发电池包在 Y 方向发生变形以及车辆托底引发电池包
3. 在 Z 方向上发生底部变形或被穿刺。

在这种外力作用下，电池包内部可能发生的诱发电池热失控的典型失效模式包括：
（1）电池系统外壳发生变形，导致电池系统内部高压带电部件与导电外壳之间距离过小或部件接触，造成直接搭接短路或者电气间隙/爬电距离击穿，引发火灾；
（2）电池单体受到挤压或直接切割，导致外壳破损、电解质泄漏，或在外力作用下内部隔膜发生破损、极片发生变形等导致内部短路的发生；
（3）电池包内热管理系统冷却管路破损导致冷却液泄漏。

其中，车辆正面或者追尾碰撞引发的电池包在 X 方向发生变形，典型案例是 2012 年某地的电动乘用车被其他车辆从后侧高速碰撞后引发电池系统着火的事故。对于侧面碰撞引发电池包在 Y 方向变形，一般情况下由于电池包装在车辆底部充当部分底盘，因此当发生侧面碰撞时，通常不会对电池系统造成大变形。针对实际新能源汽车开展的某侧碰试验中，电池系统仅发生轻微卷边，无显著热失控风险。但对于侧立柱碰撞，由于此时遭受的冲击面更小，局部冲击强度更大，电池包可能被侵入的程度更深，因此有可能会导致电池包发生显著变形。针对这种情况，某品牌的新能源汽车在碰撞试验中，就曾发生由于受到侧立柱的挤压，导致电池包内冷却液泄露，车辆在放置几天后发生自燃的情形。

对于车辆托底引发系统底部变形，相关的事故案例相对较多。典型事故包括 2013 年某品牌纯电动乘用车的电池包被路面硬物撞击导致着火；2019 年某品牌纯电动乘用车在行驶中压到三角铁，导致电池系统壳体破裂并直接划伤电芯；2021 年某品牌纯电动乘用车在拐弯时底盘磕碰到路牙后起火。需要引起关注的是，目前随着车企越来越多的采用滑板式电池包底盘布置方案，虽然能够在调整整车重心位置、简化电池包结构、尽量挖掘可用空间、提升续驶里程等方面获得较多益处，但是不可避免的增加了电池包遭受底部冲击的概率。因此，对于采用这种结构形式的电池包，一方面要求电池单体本身对于挤压、针刺具备足够强的耐受能力；第二方面，电池包在产品全生命周期范围内需要具备有效抵抗托底暗伤持续累积的能力，这种暗伤导致的电芯微损伤可能是导致电池自燃的诱因之一；第三方面，电池包内设计合理的防护策略以及 警方法，能够有效防止冷却液泄露导致的起火事故。

从产品测试评价的角度，
一方面需要加强对于采用液冷系统的电池包在发生冷却液泄漏时安全性的验证。
另外一方面，为了更加真实模拟实车发生碰撞时的情况，开展动态碰撞及托底测试工况及测试方法的开发意义重大。

2.2.3 IP防护失效

IP 防护设计不佳或失效导致的事故原因主要包括两类：
（1）整车泡水时液体进入电池包，导致电池发生外短路，比较典型的案例是某车辆行驶了 2.3 万公里后，车辆经历过泡水后（该信息已获得用户确认），在静置过程中尾部有烟冒出[1]，电池系统泡水后容易发生的绝缘 警甚至冒烟、起火仍然是目前需要重点关注的问题；
（2）车辆在高温高湿环境中长时间运行时水雾通过防爆阀或者结构件连接处进入电池包内，造成电池包内部部件腐蚀、电气短路、绝缘阻值降低等。

对于浸水导致热失控热扩散，需要更加关注对于产品全生命周期 IP 防护等级的关注。新产品能够满足要求，但是在长年累月的颠簸振动以及环境温湿度循环冲击下，电池包壳体发生变形以及密封件老化以后，防水防尘性能就会下降。这时候水或水汽就有可能会进入电池包内，尤其是当车辆长时间运行在高温、高湿或环境温湿度变化较大的环境中。因此，除了要验证新鲜样品的 IP 防护等级，在经历过一定振动、高温、腐蚀以及温度循环、湿热交变等可靠性性测试后，仍需对电池包的密封性能进行评价。

2.2.4 动力电池自燃导致车辆起火

车辆处于正常行驶或者停放状态，无明显外部诱因的动力电池自燃事故在事故中占据了较大比例。此类事故通常具有突发性，且真实的原因往往会伴随着电池的燃烧而消失殆尽，因此这类事故目前较难进行精准诱因定位和过程复现。下文将对此进行重点探讨，切入点

1. 一方面是梳理容易导致电池自发热失控的诱因，包括但不限于电芯制造缺陷、电池系统设计或装配不良以及实际使用过程中的损伤累计等
2. 另外一方面则是基于获得的事故信息对事故过程进行的复演。

2.3 动力电池自燃诱因分析

基于对动力电池起火事故的分析和理解，总结提炼的动力电池自燃诱因鱼骨图如图 7 所示。借助该鱼骨图，可以从关键材料、电芯设计、生产制造、系统集成和实际使用等关键环节对可能的诱因进行梳理，同时针对每个环节下的电池失效根因（以关键材料环节为例，包括关键材料热物性属性、来料控制等因素）进行列举，实现电池失效的正向分析。

4.1.2 单体过欠压故障

4.1.4 电池过充过放

4.2 长期安全预警

长期安全预警主要针对处于亚健康状态下运行的电池，主要包括常见的压差过大，温差大，过流，总压过高过低等。

4.2.1 压差过大故障

压差过大通常是电池一致性变差的直接表现，造成压差过大的原因体现在两个主要方面，一是电芯工艺引起的问题，比如有个别电芯容量衰减太快、内阻增太快或者自放电异常；二是电池均衡功能失效，无法消除正常自放电差异导致的电芯间的 SOC 差异。需要根据平台监控数据分析定位出电池一致性差的原因，采取相应的处理措施。
基于对压差过大的分析，需要针对电芯容量衰减，内阻衰减，自放电异常和均衡功能失效四种情况分别进行预警。如果静态压差较低，则说明电池内阻异常衰减；否者可能是电芯 SOC 一致性较差。进一步判断电池整个 SOC 区间 SOC 差异，如果差异不同说明电芯容量衰减异常；否者可能是自放电异常或者是均衡异常。如果差异相同且无均衡故障，则判断为自放电异常。

4.2.2 温差大故障

温差过大出现的概率较低，主要原因主要分为电池产热的一致性或者电池系统散热的一致性。产热的一致性主要体现在电池内阻的差异性，该差异性通常是电池老化不一致所致。电池的散热性能一般在出厂之前都已经设计完成，在整个生命周期中变化不大。出现温差过大通常是通讯干扰，或者是未规避电池环境热源。

4.2.3 过流故障

电池过流出现的频率相对较低，原因主要是整车控制或者充电机控制失效。发生此问题之后通常需要及时调整车策略或者是充电策略，否者长期会导致电池容量的快速衰减。

4.2.4 总压过高过低

电池系统总压过高过低而单体电芯电压未过压或欠压 警时，主要原因是系统的连接电阻异常，此时由于接触不良