新能源汽车动力电池热失控环境下数据解析研究

陈旻，肖凌云，曲现国

（1.国家市场监督管理总局缺陷产品管理中心，北京 100191；
2.招商局检测车辆技术研究院有限公司，重庆 400000；
3.国家市场监管重点实验室（产品缺陷与安全），北京 100191）

传统汽车对石油等不可再生能源的消耗不断加剧，严重影响了环境质量，同时也为未来社会的发展埋下隐患。为了实现可持续发展，国家推行绿色发展观念，而新能源汽车在其中扮演着重要的角色。新能源汽车有着无污染，低排放的优点，实现了节能与环保的结合，但同时，新能源汽车在安全性能上也带来了一系列问题。2018-2019国家监管平台统计数据显示，我国新能源汽车每行驶4.47亿公里发生一次燃烧事故。而2019年公开报道的新能源汽车着火事故达到128起。新能源汽车独特的以电池、电机、电控为核心的三电系统，使其动力结构，起火的原因与传统汽车有着比较显著的区别，同时也给其独特的系统数据记录功能，使得我们能通过新能源汽车数据对事故现象进行分析[1]。新能源汽车动力电池热失控数据有着数据类别丰富，数据量庞大等特点，为了研究新能源汽车火灾事故发生原因，并形成新能源汽车安全隐患的有效监测方法，本文通过对新能源汽车火灾事故数据与全生命周期数据的分析，归纳总结新能源汽车火灾事故的参数以及它们对热失控事故发生的影响，从数据上对新能源汽车热失控事故发生进行监测与判定。

新能源电池使用中一旦出现热失控问题，容易引发自燃，严重影响驾驶人生命安全以及财产安全。所以需要针对新能源电池热失控问题有综合认识，导致出现电池热失控的原因主要为：当前新能源汽车企业数量迅速增加，然而电池使用投入金额数量较大，部分企业会将此部分业务整体承包给电池生产厂商，电池生产后经过检验合格才能够到厂家，完成整个车辆的组装工作。在这一方式的应用下容易导致技术上存在不匹配，电力供应和终端用户参数之间有所差异，时间越长电池出现热失控的风险越大。同时在电动车使用中，提速以及加速比较快，部分驾驶人员为获取驾驶激情，会针对电池组实施改装，改装后电池供应电压也会有所改变，和原厂家配置参数存在不同，进而导致电池组运行和充电参数出现改变，进而引发出现电池热失控。

关于环境对新能源电池热失控的影响，主要是受到电池结构特性的影响，在高温环境下，SET膜、EC以及电解液等会出现分解，电解液的分解物也会和正极、负极发生反应，电芯隔膜进而被融化分解，各种反应的产生会引发出现大量热量。隔膜融化也会导致出现内部短路，随着电能量的释放也会加大热量生产。在以上累计过程中，进而出现相互增强的破坏作用，最终导致电芯防爆膜破裂，喷出电解液，发生燃烧。其中三元系电池和磷酸铁锂电池相比，正极材料更容易出现分解反应，释氧过程中会进一步加快发生热失控。

新能源汽车动力电池全生命周期数据涵盖电池生产原始出厂直至车电分离完成退役全流程的数据。其中，车载运行信息涵盖了整车数据（整车状态、车速、总电压、总电流等）、驱动状态（驱动电机状态与序号等）、车辆位置数据（定位状态）以及电池极值和报警数据的车载运行信息数据库。车载运行信息在热失控电池的分析过程中具有重要价值，可以有效反映动力蓄电池在车载使用过程中的各项指标变化情况[4]。

为了评判新能源汽车使用过程中是否存在安全风险，我们对其全生命周期数据中车载运行信息进行了分析，其中最高/最低单体电压与压差分析、最高/最低温度及温差分析、充电习惯分析、报警形式分析，对BMS的控制策略的针对性分析（包括充放电电流限制，充电阶段高电压区间过流分析等）。通过各项新能源汽车运行过程典型的参数变化分析，了解故障的发生原因。

1）最高/最低单体电压与压差分析

在标准运行条件下，新能源汽车单体电池电压在全生命周期时间内应该随电池的标称电压，在一个稳定的范围内上下变化，同时各单体电池电压之间的压差应在0.2 V以内。单体电池发生热失控时，其电压往往在失控前有电压降低，与其他电池压差放大的征兆，以此可以判断可能发生异常的电芯位置[5]。例如，某发生热失控电池A的单体电池电压在全生命周期内时域变化曲线、最低单体电压对应序号图如图1。

图1 电池A最高/最低单体电压、压差及最低电压所在单体序号分析

从图1左边的压差曲线图中可以看出，电池A全生命周期内单体最高电压较为恒定，而单体最低电压在时域上呈现缓慢降低的趋势，单体压差也出现了缓慢增加的情况，大部分时间未超过0.1 V，平均压差为0.042 9 V，但在事故发生前最后时刻压差急剧增大至1.392 V。从事故前一段时间的最低单体电压电芯序号图来看内，最后时刻46号电芯（图中红色标注）出现在最低电压，结合现场调查判定，46号电芯引发了热失控。

2）最高/最低温度及温差分析

温度参数是比较直观的单体电池热失控现象指标，在标准运行条件下，单体电池最高/低温度随电池的充放电流程规律性变化，单体电池最高温度普遍不超过50 ℃，最低温度可低至10 ℃左右，并且最高、最低温度之间的温差处于较为恒定的范围内。当单体电池发生热失控时，其和其附近的电池温度将呈现上升趋势，并且电池温差将进一步放大。例如，电池B的单体电池温度在全生命周期内时域变化曲线如图2。

从图2看，电池B在全生命周期内温度随电池的充放电进行有规律的变化，最高温度和最低温度在标准范围内，但两者的温差不太稳定，有数次温差达到了10 ℃，并且在事故发生前，最高单体温度发生了急剧上升的情况，温差也随之大幅上升，说明在事故开始时单体电芯已经由于失控温度不断上升，由发生失控的电芯序号（23号）结合新能源汽车火灾事故现场调查可以推断出动力电池包首次发生热失控导致升温的模组部位[6]。

图2 电池B最高/最低温度及温差分析

3）动力电池绝缘电阻分析

新能源汽车动力电池的绝缘电阻通常随汽车的充放电在两个端值间来回变化，对于不同的新能源汽车，这两个端值可以在（1 000～10 000）kΩ之间，当最低绝缘阻值低于100 kΩ时，动力电池有失控的风险。例如，图3为电池B在全生命周期内的绝缘电阻时域变化分析图。

从图3中可以看到，该电池在全生命周期内绝缘电阻处于4 000 kΩ与4 500 kΩ两个端值间来回变化，偶尔上下端值会发生变化，但最低绝缘电阻依然在3 500 kΩ以上。而在图中最后的时刻，绝缘电阻从4 500 kΩ急剧下降至接近于0，接着动力电池发生了热失控现象。

图3 电池B绝缘电阻全生命周期数据分析

4）多参数时域内共同演化分析

新能源汽车动力电池的电压、温度、绝缘电阻等多参数在全生命周期内的演化有着时域上的先后顺序，可以进一步分析新能源汽车事故的发生原因。在绝缘电阻和低压线束失效的情况下，全生命周期数据中绝缘电阻参数首先降至0，然后动力电池电压下降，温度上升；
在外部热源引发动力电池热失控的情况下，动力电池周围传感器温度受外部热源影响先出现缓慢上升情况，随后动力电池热失控引发，动力电池温度剧烈上升，同时动力电池的电压与绝缘电阻快速下降；
而在碰撞引发动力电池热失控情况下，动力电池电压与绝缘电阻的下降，以及温度的上升，发生的时间点则较为接近[7]。

图4为新能源汽车C在绝缘电阻失效模式下发生动力电池热失控事故的全生命周期数据分析结果，在事故发生前的时间段内，绝缘阻值先从4 300 kΩ快速降至0，电池传感器温度也随之开始上升，大约在40 s后动力电池单体电压最低值也出现了异常下降，直到降至0.5 V以下时才稳定下来，此时电池最高温度达到50 ℃，并在短时间的稳定后继续往上增加。

图4 电池C多参数全生命周期数据分析

5）BMS控制策略针对性分析

分析全生命周期数据在BMS控制策略中的风险点，主要方法是通过对比实际数据与控制策略的符合程度，判断新能源汽车的充放电电流、充电高压过流是否存在失控风险。例如，对新能源汽车D的BMS控制策略分析，其技术协议对恒流充电电流要求，在0 ℃以下不允许充电，但实际在该新能源汽车的全生命周期数据分析过程中，发现该汽车在（-5～0）℃期间有实际的充电情况（图5）。当新能源汽车频繁处于标准协议要求的充电电流、充电温度范围外进行充电行为时，过量的充电将会导致电池进一步发生析锂现象，在电池内部累积产生锂枝晶，锂枝晶在与电解液反应过程中产生Li2CO3、LiF等非导电离子，从而加大了局部区域的电阻，在长时间的积累下高电阻区可能发生热聚集，灼穿电池隔膜，从而导致动力电池发生热失控。

图5 新能源汽车D温度、电压数据随时域变化图

在以上数据研究中，最高/最低单体电压与压差分析中发现电池在发生事故之前最后时刻压差会出现急剧增大情况，高达1.392 V，同时也会出现最低电压，进而导致出现热失控；
同时关于最高/最低温度及温差分析中发现，如果是在正常环境下，单体电池最高温度在50 ℃，最低约为10 ℃，温差较为恒定，如果单体和附近电池温度出现上升趋势，温差逐渐加大，如在10 ℃，单体温度出现急剧上升，则存在有热失控风险。针对此情况下可以加大对单体电池电压监控，以此实现对热失控事故的预防；
在动力电池绝缘电阻研究中，发现汽车充放电导致电池绝缘电阻在两个端值间出现变化，通常是在（1 000～10 000）kΩ，如果最低绝缘阻值在100 kΩ以下，可能会出现失控风险；
在多参数时域内共同演化分析中发现，如果绝缘阻值出现急剧下降，电池传感器温度也有所上升，也就会导致电池单体电压最低值出现一定降低，此情况下可能会引发事故；
在BMS控制策略针对性分析中发现，新能源汽车频繁处于标准协议要求的充电电流、充电温度范围外进行充电行为时，过量的充电会引发电池出现析锂现象，在锂枝晶在与电解液反应过程中产生Li2CO3、LiF等非导电离子，对于电池内部电阻有所加大，长此以往容易出现高电阻区可能发生热聚集，提高了电池热失控风险。针对此问题，应该尽量减少电池过量充电行为，加大电池安全保护，进而减少热失控事故发生几率。

针对电池热能失控问题，可以采用以下方式实施预防和应对，具体为：第一，设置安全阀，同时也需要严格把控安全阀压力值范围；
第二，安装热敏电阻，以免出现电池过充或者短路问题；
第三，实现BMS精确热管理，电池使用中也可以积极采用水冷、风冷等实施电池降温；
第四，在电解液中适当添加添加剂，以能够有效降低电解液的可燃性；
第五，提升SEI成膜质量，比如可以适当的在电解液中添加LiCF3SO3等，以能够进一步提升SEI中的无机成分；
第六，阻止正极材料和电解液发生反应，比如可以在电解液中使用添加剂或者采用材料实施正极材料包覆；
第七，提升隔膜熔点，比如可以在隔膜两侧涂陶瓷层；
第八，提高新能源电池使用规范性，减小或杜绝过充、过放电等人为因素影响。

总结：在新能源汽车电池发展中，目前更加注重高能量密度电池研发，但是提升电池能量密度主要受到安全问题的限制，频繁发生的电池安全问题也进一步提高了人们对于安全问题的重视。以上针对新能源电池热失控相关数据实施了分析，并提出了相应的热失控预防策略，以能够为新能源汽车电池安全应用提供相关建议。

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