邱健蓄电池高温环境下电动汽车电池组热失控特征提取与风险预测
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邱健蓄电池 发布时间：2026-03-25 09:16:12 点击： 次
高度相似的现实车辆数据被认为存在安全风险。通过对事故车辆与正常车辆计算结果的对比分析，验证了该方法的可行性。在高温、高压及喷射颗粒物的共同作用下，电弧击穿是电池包热失控过程中的典型现象。本研究对电池包三维模型开展电学模拟研究，量化不同工况下的电场强度分布，并评估电弧击穿伴随的危害性。本研究从结构与数据驱动视角提出一种热失控抑制方法，可为电池包安全设计提供指导。该Achievement有助于缓解公众对电动汽车安全性的担忧，提升电动汽车使用率，并对零碳交通作出贡献。
引言
发展电动汽车是推进交通电气化与智能化转型的关键路径（Zhang等，2025a）。锂离子电池作为电动汽车的核心部件，其安全性直接影响车辆运行与行业发展。然而新能源汽车事故中热失控事件仍持续发生（Meng等，2023）。行业报告显示，每年6月至8月是新能源汽车火灾高发期（News，2024）。
在现实条件下，高温是影响电动汽车电池性能与安全的关键因素。随着环境温度升高，电池温度随之攀升，加速内部电化学反应过程，导致性能与稳定性双重衰减。本研究针对电池模组在高温条件下的热失控行为展开分析，以揭示其高热环境中的热特性，为评估极端炎热天气下的电池安全性提供关键数据支撑。
当前关于电池热失控的研究主要可分为两大方向：①热失控表征研究，重点关注过程中温度、电压、压力及传播特征，为抑制其触发与蔓延提供依据；②热失控抑制研究，基于上述特征在材料与结构方面实施针对性防控措施（Sun等，2025a；Jiaqiang等，2024）。
在热失控特性表征方面，Xu等人(Xu et al., 2024)对NCM材料的热失控传播行为与燃料费生成特性进行了研究622有限空间内不同荷电状态(SOC)下电池组的热失控特性研究。当SOC低于25%时，受限空间内的电池组未发生热失控现象。随着SOC降低，电池内部热蔓延速率与表面温度均呈现下降趋势。电池热失控行为受老化程度影响显著。Shao等(Shao et al., 2025)建立了适用于不同老化阶段电池的热失控评估表达式。他们系统阐明了不同老化程度电池的热失控过程及其在热失控过程中的气体释放特性，为锂离子电池日常应用的安全可靠性提供了参考依据。Wu等(Wu et al., 2024a)通过单体电池绝热量热实验建立热失控模型，并基于峰值温度、触发时间及蔓延时间间隔等参数对模型进行了验证。电池包层级模拟结果表明，快速充电与上坡驾驶行为对热失控传播具有显著影响。Uwitonze等人(Uwitonze et al., 2024)提出了一种针对锂离子软包电池组的三维数值模拟方法。该研究探讨了穿刺深度与缺陷位置对电池包热失控行为的影响，揭示了电池包内部薄弱位置及其相应的失效机制。Wang等人(Wang et al., 2023a)的研究进一步...（注：此处保留不完整引用格式以保持与原文一致）通过将计算流体动力学与热阻网络相融合，建立了燃料费排放与爆炸风险的模拟模型。研究团队采用集成化生热与射流动力学方法，预测热失控传播及燃料费输运过程，系统考察了不同电池包结构对性能的影响。He等学者(He et al., 2024)提出了一种高精度降阶热失控网络模型，该模型重新分配传统热网络模型中的热源分布并修正了扳机规则。研究结果表明，由于热量累积效应，热失控发生后的传播间隔时间显著缩短。因此，控制初始热扩散比率被证明比延缓热传播更为关键。Wang等学者(Wang et al., 2025a)探究了NCM材料的热失控燃料费演化行为811基于上述研究发现，我们开发了一个由内部热失控序列驱动的燃料费风险评估模型。该模型可评估气体的燃烧风险并识别高风险区域。Xu等人(Xu et al., 2023)通过将降阶热模型与热失控模型耦合，提出了一个热失控传播模型，并在模块级别验证了其热失控行为。Li等人(Li et al., 2024a)基于实验研究和动量守恒定律，提出了一种确定可燃排放物喷射参数的新方法。通过结合喷射动力学推导出的经验公式，可适用于具有高能量密度的电池类型。钠离子电池本质上具有双重效应：热缓冲效应与空间绝缘特性。研究人员将钠离子电池单元作为热屏障集成至优化的混合布局中，由此提出了一种平衡热稳定性和能量输出的创新性设计策略（Zhu等，2025）。电池热失控过程中内部压力上升会导致电池组及电子元件的结构扩展包，进而扳机电弧击穿现象。Sun等学者（Sun等(Hong et al., 2025a)通过在电池侧安装压力传感器，测量了热失控全过程中燃料费生成的动态行为，并探究了不同荷电状态(SOC)对内部压力波动与喷射行为的影响。研究表明，随着SOC升高，内部压力与质量损失均呈现显著增加趋势。Hong等学者(Hong et al., 2025)通过将能量守恒方程与热流连续性方程耦合，建立了电池厚度与热失控传播速度关联的理论模型。预测了热失控传播速度，并针对不同电池厚度定量分析了非固体传热因素的耦合加速效应。Ref (Changyun et al., 2025). 提出了包含传热偏微分方程、常微分方程、流体传热与热辐射的热传播数值模型，该模型通过有限元方法用于研究电池组内热失控传播行为。建立了热失控传播危害指数的多指标综合评价体系。Schöberl等人(Schöberl et al., 2024). 采用NMC体系对锂离子电池热失控传播进行了全面分析。811以及LFP正极。就电池能量而言，NMC的热失控反应速率811其电池单元的传播速度为LFP电池的九倍，而传播速率较LFP电池快五倍。Li等人（Li et al., 2024a）研究了电池组热失控过程中上盖结构的失效机制。该研究提出采用多相流固耦合模型来模拟循环冲击下上盖的形变演化过程。结果表明：上盖失效是由颗粒-结构热传导产生的热应力所导致。就防护措施而言，绝缘层比增大间距更具防护效能。Choi等人(Choi et al., 2025)测量了热失控传播条件下穹顶形变、外表面温度分布及内部压力的时变性变化。热失控传播过程中穹顶形变的总体幅度取决于初始压力上升值，其行为模式对局部温度分布表现出更高的敏感性。Wang等学者(Wang et al., 2023b)研究了电池包系统中热失控传播行为，并评估了相对于其他配置的传播速率。研究人员分析了温度响应、电池损伤程度、组件结构变形以及残留物化学分析等因素。结果表明存在三种典型传播模式：有序型、无序型和同步型。其中同步传播模式造成的损害最为严重，表明在同步条件下能量释放达到最大值（Cui等，2023）。针对大规模电池储能系统的火灾风险开展了实验研究。基于实测数据建立了单体电池燃烧模型，并确定了高容量电池热失控模拟的关键参数。为探究仓储环境下电池模组火灾特性，构建了仓库场景的电池包燃烧数值模型。针对热失控过程中高温高速颗粒物引发电弧击穿的现象，参考文献(Li et al., 2024b)采集了NCM体系电池热失控喷射颗粒物811惰性气氛中热失控后的电池。研究了电极间距、粒径和读档电阻对临界击穿电压与电弧特性的影响。该领域现有研究与过程安全中的异常检测及管理密切相关。根据上述已有研究，目前大多数电池热失控机制研究集中于单体电池和模组实验或模拟，而电池包层级的热扩散与蔓延机制研究尚显不足。这正是本研究所承担的任务之一。
基于对热失控过程的研究，并获得了不同类型锂离子电池热失控过程中的关键热参数与传播特性，研究人员开展了新型结构与材料设计方法的相关工作，致力于缓解和抑制电池组中的热失控现象。Talele等（Talele et al., 2023）。通过在浸没式相变材料壁面引入低导热性阻燃衬层，优化了电池组结构设计，从而延迟热失控的扳机点并抑制热量传播。Sun等（Sun et al., 2025b）提出了一种基于相变材料的新型热防护设计。每个电芯由双层结构封装：内层由相变材料构成，外层采用高导热金属以实现高效散热。实验与模拟研究表明，该设计能有效防止热量积累及高温梯度的形成。液氮可显著抑制小容量锂离子电池的热失控现象。Wang等人（Wang et al., 2024a）系统研究了不同液氮喷射位置与喷射量对热失控抑制及传播的影响。混合电池组合是提升电池安全性的潜在解决方案。Yao等研究者（Yao et al., 2024）针对多种NCM材料的热失控及传播特性进行了评估811以及LFP电池组合配置，寻求能量密度与安全性之间的平衡。Xiao等人（Xiao et al., 2024）设计了一种由相变材料和液冷组成的电池包复合冷却系统。采用模拟方法研究了冷却液流速、电芯间距、导热系数以及散热通道数量对热失控传播的影响。Wu等人（Wu et al., 2024b）开发了浸没式冷却电池包的三维模型，研究不同放电倍率和冷却液流速对温度分布的影响，验证了浸没式冷却系统在散热和热失控预防方面的应用潜力。Dhuchakallaya等人（Dhuchakallaya and Saechan, 2025）开发了一种加压空气冷却系统的热模型，并通过圆柱形电池模块验证了其有效性，以展示不同冷却气流条件和初始失效位置如何影响热失控传播。Gong等人(Gong et al., 2023)采用三维数值模型对4×4圆柱形电池组进行了热失控传播抑制研究，针对硅酸盐、陶瓷和玻璃纤维板三种绝缘材料，探究了绝缘类型、厚度及布局对传播的影响。Wang等人(Wang et al., 2024b)开发了一套基于电池组的热失控抑制测试平台。该实验研究了不同消防抑制装置对三元锂离子电池组的热失控抑制效果，获得了电池模块燃烧行为、传播间隔、峰值温度、灭火剂冷却效率、热传递及火场痕迹等数据。Zhou等人(Zhou et al., 2024)探索了水合无机盐复合相变材料在预防电池组热失控方面的应用潜力。研究了该复合材料的热导率、储热能力及单元间距如何影响热失控传播，其高吸热特性显著减少了向相邻电池单元的热量传递。Sadar等人(Sadar et al., 2024)通过分析热失控过程中的温度分布、散热特性与热梯度，深入探究了其内在机制。研究采用变压器油与相变材料来抑制热失控现象。Zhang等人(Zhang et al., 2025b)通过实验研究了21700圆柱电池的热失控行为，并提出采用液体浸没法调控热失控。系统考察了荷电状态(SOC)与浸没比例对电池热失控行为的影响。Lu等人(Lu et al., 2024)建立了描述电池热失控反应动力学的生热模型，并通过实验验证了其有效性。随后，他们设计了一种融合相变材料与液体微通道的混合热管理系统，该系统表现出对初始热失控扩散的有效抑制作用。Qiu等人（Qiu et al., 2024）开发了一种阻燃柔性复合相变材料，并将其应用于电池组温度控制与热失控预防。该材料实现了优异的电池组温度控制性能，并有效阻止了热失控在电池组内的扩散。Chen等人（Chen et al., 2025）提出了一种超薄、强韧且具有弹性的热障结构，用于抑制大规模电池模块中的热失控传播。该热障在剧烈压缩条件下表现出理想的损伤容限，减轻电池的"呼吸效应"，并能有效阻断热失控蔓延。Xiao等(Xiao et al., 2025)设计的气凝胶片材不仅能在热失控初期快速吸热并释放灭火剂，还将灭火剂与气凝胶基体实现了功能集成。这种集成方案通过阻断化学链式反应和热传导，有效抑制了热失控的进一步传播。Lu等人(Lu et al., 2025)开发了一种具有高热容特性的水合盐凝胶材料。该材料可用于封装电池组，通过灌封固化工艺实现温度调控与热失控防护。在针刺测试中，火焰持续时间显著缩短，且周围电芯温度始终维持在临界温度范围内。Mao等人(Mao et al.,)的研究进一步...采用不同厚度的气凝胶材料隔离单体电池，从而抑制大尺寸方形锂离子电池模组内的热失控蔓延。研究了气凝胶影响热失控蔓延行为的机制，最终确定了热通量与热量积聚参数，并提出了判定热失控蔓延发生的标准（Xie等，2025）。提出一种由"被动冷却-主动冷却-被动抑制-主动抑制"构成的多级热控策略，用于预防和抑制电池组热阻效应。该系统主要由复合相变材料、液冷板和气凝胶板组成。该研究通过材料或结构改良来降低热失控风险，这与工艺安全中的防护优化及安全设计密切相关。与热扩散和传播机制的研究类似，大多数关于热失控抑制的研究都是在单体或模块级别进行的。这在一定程度上限制了新方法在现实电动汽车中的应用。
除通过实验与模拟研究热失控特性及其抑制手段外，大数据、机器学习与人工智能技术的发展也使数据驱动的电池热失控预警系统成为电池安全领域的重要方向。Wang等人（Wang et al., 2025b）提出了一种采用双代理人工智能模型的智能框架，用于预测电池包内不同电池类型、环境温度及火灾热释放率条件下的热失控传播与温度场演变。He等人（He et al., 2025）通过分析不同过充倍率下三元锂电池包表面温度、空间温度及电压变化，提出了一种针对三元锂电池包热失控的三级预警算法与装置。在相同初始条件下，更高的充电速率会加剧内部化学反应，导致热失控更早发生。Li等人（Li et al., 2025）提出了一种基于多尺度电压异常特征工程的电池故障检测框架。该研究采用无量纲指标筛选关键中心矩和波形因子，并通过自适应聚类实现异常隔离。Gan等人（Gan et al., 2021）则将实验数据与实际电动汽车运行数据进行了整合。基于实验数据，他们建立了锂离子电池过放电安全风险的评估与预测模型。选取放电过程中影响电压的特征参数作为模型输入项。通过实际电动汽车运行数据验证该方法，证实其能有效检测电池过放电安全风险。Sun等（Sun et al., 2022）提出了一种双层电池组热失控预测方法：第一层采用电压与温度阈值检测过充、过放及过热现象。第二层基于Fletcher距离和局部离群因子方法识别热失控电池。Du等人(Du et al., 2023)提出了一种基于特征指数函数和动态时间规整的电池组热失控预测方法。首先采用高斯平滑滤波降低电压噪声，随后提出特征指数函数法提取电池组电压特征，最终引入改进的动态时间规整方法实现电池组热失控预测。Jiang等人(Jiang et al.2021年）。提出了一种基于状态表征的电池组热失控预测方法。通过用动态阈值替代固定阈值，他们提高了故障诊断和热失控早期预警的准确性。基于电池耦合传热模型，Guido等人（Guido et al., 2025）。开发了采用遗传编程的符号回归模型。该模型可揭示物理机制，并能直接集成到电池管理系统（BMS）中实现实时诊断。本部分研究与过程安全领域的早期预警直接相关。数据驱动方法具有更好的应用前景。然而当前研究倾向于使用更多电池正常运行数据或轻微故障数据，缺乏电池组层级的热失控数据。
当前研究主要依赖于在单体电池或模组层面进行的模拟或热失控实验。这不足以理解电池包层级的热蔓延现象。此外，包层级的热失控实验需要更深入地研究热蔓延路径，这对于阻断热蔓延和抑制热失控至关重要。同时，关于电弧击穿现象（热失控期间的关键现象及电气故障的主要诱因）的研究仍然不足。最后，当前数据驱动的安全预警方法缺乏有效的包层级数据，这类数据对于识别电池内部运行风险具有重要作用。
本文对现有技术作出以下显著贡献与改进：
- 1)
热失控传播路径：通过监测穿刺电芯及周边电芯的温度与电压变化，获取其传播特性。
- 2)
热失控预警机制：基于热失控过程中提取的七个参数，建立了三级预警机制。
- 3)
热失控风险识别基于动态时间规整算法，对比实车运行数据与热失控数据的相似性
- 4)
电场强度模拟通过电气模拟评估电池组内部电弧击穿风险。
