新能源汽車動(dòng)力電池安全技術(shù)研究綜述

陳曉平

寧波工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院（杭州灣汽車學(xué)院），315211，浙江寧波

2020年9月，習(xí)近平總書記在科學(xué)家座談會(huì)上提出“四個(gè)面向”要求，為我國(guó)“十四五”時(shí)期以及更長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、加快科技創(chuàng)新步伐指明了方向。發(fā)展新能源汽車是我國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路。我國(guó)一直高度重視新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2012年國(guó)務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》和《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》以來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)被確立為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一?！笆濉逼陂g，國(guó)務(wù)院出臺(tái)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》與《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》等文件，繼續(xù)加大對(duì)新能源汽車的投入力度，2019年，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷分別完成124.2萬輛和120.6萬輛，產(chǎn)銷連續(xù)5年位居世界首位。

2020年11月3日國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》提出：到2025年，我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力明顯增強(qiáng)，新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量20%左右的目標(biāo)，到2035年，純電動(dòng)汽車成為新銷售車輛的主流。新能源汽車主要依靠電能作為驅(qū)動(dòng)能源，動(dòng)力電池作為能量存儲(chǔ)裝置，是新能源汽車最核心的部件之一。

隨著新能源汽車保有量迅速增加，涉及新能源汽車的安全事故日益頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國(guó)至少有187起涉及新能源汽車的燃燒事故，其中動(dòng)力電池問題是起火的主要原因。動(dòng)力電池安全問題已成為新能源汽車發(fā)展的主要瓶頸之一，《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》在“新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程”中專門列出了“實(shí)施電池技術(shù)突破行動(dòng)”，提出了要加強(qiáng)高強(qiáng)度、輕量化、高安全、低成本、長(zhǎng)壽命的動(dòng)力電池短板技術(shù)攻關(guān)。因此，本文重點(diǎn)分析目前新能源汽車電池安全的發(fā)展現(xiàn)狀、主要問題，并對(duì)后續(xù)的發(fā)展提出建議。

1 動(dòng)力電池安全技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)主流車型裝配的動(dòng)力電池以磷酸鐵鋰和三元電池（NCM）為主。其中三元電池（NCM）以更突出的能量密度等優(yōu)勢(shì)，近年來成為多數(shù)純電動(dòng)乘用車的選擇。

1.1 機(jī)械載荷對(duì)動(dòng)力電池安全性影響的研究汽車在使用過程中，很難避免承受振動(dòng)、沖擊、碰撞、石子彈擊等機(jī)械載荷，當(dāng)電池系統(tǒng)受到相應(yīng)的載荷時(shí)，可能會(huì)發(fā)生電池變形、穿刺等損傷，導(dǎo)致內(nèi)部短路發(fā)生、溫度升高、電池體內(nèi)壓強(qiáng)上升，最終可能引發(fā)失火及爆炸等災(zāi)難性后果。

目前，很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池機(jī)械完整性問題開展了大量的研究工作。主要采用試驗(yàn)和建模仿真的方法，研究電池材料、單體、電池組等在受到機(jī)械載荷情況下的短路失效情況。包括：（1）電池材料，如對(duì)電池的外殼材料、隔膜材料、正負(fù)極材料在受機(jī)械載荷情況下的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)和仿真研究，探索電池材料的力學(xué)失效準(zhǔn)則，以及對(duì)電池短路的影響。（2）電池單體，如對(duì)電池單體進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和仿真研究，包括拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎、壓痕、落錘沖擊、針刺等載荷，測(cè)試電池的應(yīng)力應(yīng)變、溫度變化、電壓變化等參數(shù)，研究電池的短路情況。（3）電池組，如對(duì)電池組進(jìn)行堆積效應(yīng)試驗(yàn)和建模仿真分析，研究堆積下電池組在受擠壓、沖擊等載荷下的短路情況。（4）整車，主要是對(duì)電池包進(jìn)行臺(tái)車碰撞試驗(yàn)和仿真分析，研究汽車行駛速度下碰撞后的電池包變形情況和短路發(fā)生情況，研究電池組保護(hù)殼的力學(xué)性能等。

1.2 充放電對(duì)動(dòng)力電池安全性影響的研究電池在充放電過程中，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生焦耳熱和材料微觀組織變化，特別在過充電、過放電、大倍率充放電等情況下，會(huì)使電池材料隔膜、正負(fù)極材料、電解液等發(fā)生分解反應(yīng)和相互作用，導(dǎo)致內(nèi)部短路和急劇升溫，最終導(dǎo)致熱失控。

充放電對(duì)電池安全性影響的研究是目前電池安全研究的熱點(diǎn)，尤其是快充技術(shù)對(duì)于新能源汽車使用的便利性至關(guān)重要。對(duì)于汽車著火事故分析，表明很多事故與充電有著緊密的聯(lián)系。目前研究主要包括：（1）高倍率快充下電池組分的微觀結(jié)構(gòu)變化，通過試驗(yàn)和仿真手段，對(duì)電極析鋰機(jī)理進(jìn)行了研究，分析電池充電過程中電極表面鋰離子析出和嵌入的過程，對(duì)電池?zé)崾Э販囟鹊挠绊?。?）充放電工況下鋰枝晶的生長(zhǎng)規(guī)律以及組分的變形情況，刺穿隔膜引起內(nèi)短路的機(jī)理，研究?jī)?nèi)短路類型包括集流體鋁-集流體銅、正極-集流體銅、集流體鋁-負(fù)極、正極-負(fù)極等四種電路的短路機(jī)理及對(duì)熱失控的影響過程。（3）在絕熱密閉環(huán)境下測(cè)量不同充放電倍率下電池的熱行為，研究電壓、溫度特性與熱失控溫度關(guān)系。

1.3 使用環(huán)境對(duì)動(dòng)力電池安全性影響的研究使用環(huán)境對(duì)電池的性能有重大的影響，比如在高溫或低溫環(huán)境下，電池的容量及使用效率會(huì)受到很大的影響。環(huán)境溫度過高會(huì)使電池在使用過程中內(nèi)部組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，特別在散熱不足情況下，會(huì)導(dǎo)致溫升加劇，導(dǎo)致發(fā)生熱失控等問題。使用環(huán)境包括鹽霧、濕度過大等，也會(huì)對(duì)電池的安全性造成很大的影響。研究主要包括：（1）環(huán)境溫度變化對(duì)電池組分、單體、電池包的力學(xué)性能、生熱散熱等影響，研究過熱導(dǎo)致的電池內(nèi)部鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)，包括隔膜的熔解、電極活性材料與電解質(zhì)的反應(yīng)、SEI膜分解、電解液的分解等機(jī)理。（2）研究鹽霧、濕度、海水浸泡等工作環(huán)境下，分析短路與濕度等參數(shù)關(guān)系，研究電池電化學(xué)特性與安全性。

1.4 電池狀態(tài)對(duì)動(dòng)力電池安全性影響的研究荷電狀態(tài)(SOC)和老化狀態(tài)（SOH）對(duì)電池的安全性會(huì)產(chǎn)生重要的影響，隨著荷電量SOC的增大，電池發(fā)生熱失控的危險(xiǎn)性增加，隨著使用次數(shù)的增加，電池的容量變小，同時(shí)安全性也變差，短路的風(fēng)險(xiǎn)增加。研究者主要開展了（1）不同SOC下，電池組分材料的力學(xué)性能變化、電池短路與SOC參數(shù)的關(guān)系，電池起火與SOC的關(guān)系，探索失效機(jī)理和準(zhǔn)則。（2）研究不同SOH下，研究電池在運(yùn)行過程中的內(nèi)部溫度、電壓等參數(shù)變化規(guī)律，以及在不同充放電倍率和機(jī)械載荷下，分析不同SOH電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)，研究電池老化機(jī)理和安全性之間的關(guān)系。

2 研究現(xiàn)狀分析

2.1 電池短路機(jī)理研究方面力場(chǎng)、電場(chǎng)、熱場(chǎng)以及化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)的耦合導(dǎo)致電池的失效行為及機(jī)理研究較為復(fù)雜且困難。目前電池失效機(jī)理研究還存在如下問題：一是沖擊載荷下力－電化學(xué)－熱耦合機(jī)制尚不明確；二是亟需發(fā)展可模擬鋰離子電池結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)失效行為的多尺度多場(chǎng)耦合模擬方法。

2.2 電池失效預(yù)測(cè)和控制方面BMS技術(shù)隨著新能源汽車的發(fā)展也有了較大提升，前沿技術(shù)及理論也取得了諸多成果，已經(jīng)從單純的監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成了管理系統(tǒng)，但在參數(shù)采集、參數(shù)估算以及安全控制方面仍還無法滿足保障電池使用安全要求。

3 今后的研究方向

3.1 新型電池材料研究發(fā)展新型電池材料、新型材料選擇方法與理論以及陽極材料電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制將成為研究重點(diǎn)。開發(fā)更加安全的電極材料、穩(wěn)定電解液，固態(tài)電解液、高強(qiáng)度隔膜等是今后的研究重點(diǎn)。

3.2 動(dòng)力電池失效機(jī)理研究鋰離子電池的失效模式多樣，且很難用單一的物理量、準(zhǔn)則或過程進(jìn)行刻畫。因此，明晰內(nèi)部短路產(chǎn)生機(jī)制、傳播行為，建立物理意義明確、簡(jiǎn)單易用、涵蓋單體電池、電池模組、電池系統(tǒng)的失效準(zhǔn)則，具有寶貴的工程指導(dǎo)價(jià)值。

3.3 多尺度多場(chǎng)耦合模擬方法研究為了實(shí)現(xiàn)對(duì)力－電化學(xué)－熱耦合失效行為的分析和模擬，必須研究電池材料顆粒到電極、從電極到單體、從單體到電池包的漸進(jìn)失效行為原理，并建立完善的多尺度多場(chǎng)耦合模擬方法體系，這也是今后電池安全性研究重點(diǎn)。

3.4 電池管理系統(tǒng)（BMS）研究隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)深入應(yīng)用，可以基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行多方位的數(shù)據(jù)監(jiān)控與對(duì)比，來提升自身的狀態(tài)參數(shù)評(píng)估能力，電池安全管理能力及熱管理能力。同時(shí)隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，BMS技術(shù)可以與人工智能技術(shù)相結(jié)合，能提高預(yù)測(cè)電池發(fā)生安全問題的時(shí)間余量，大幅提升電動(dòng)汽車安全性。

4 結(jié)語

發(fā)展新能源汽車是我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大決策。動(dòng)力電池的安全性能決定了新能源汽車尤其是電動(dòng)汽車的市場(chǎng)和未來，目前在電池安全領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量富有成效的研究工作，但是仍然不能有效避免因?yàn)閯?dòng)力電池短路、熱失控等問題引起的交通安全事故。隨著新能源汽車保有量的增長(zhǎng)，該問題會(huì)愈發(fā)凸顯。因此，開展動(dòng)力電池安全研究對(duì)于我國(guó)占領(lǐng)新能源汽車技術(shù)高地意義重大。