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

FENG 等[6]对电池热失控机理进行了研究，根据隔膜坍塌以及正极与负极发生氧化还原反应，将热失控（thermal runaway, TR）过程分为三个阶段（图 1）。

第一阶段：热量通常是由于固体电解质界面膜（SEI 膜）的分解，正负极与电解质发生反应产热，“负极 + 电解质”系统产生的热量约占 TR 第一阶段释放总热量的 17%。
第二阶段：隔膜坍塌，电解质部分蒸发。内部短路（internal short circuit, ISC）发生，集中释放储存在电池内的电能。但是 ISC 不能释放电池内部的全部电能，在 TR 过程中只有 9%的热量是由 ISC 引起的。
第三阶段：正极和负极之间的氧化还原反应开始并释放大量的热量，占总热量的绝大部分。因此，为保证储能电池的安全，需做到及时散热、电池之间的热隔离以及电池的防火灭火，以保证电池的安全。

1.2 电池安全预警

从早期预警的角度来看，锂离子电池的安全问题主要有两个方面：

一是针对单个电池，对电压、电流、温度等数据的实时监测，当出现异常时应及时报警。
二是对电池组进行监控管理，即对整个电池组运行过程中出现的异常情况进行分析报警。早期预警包括监测电压、电流等电气性能参数的变化、温度变化和逸出的气体检测。

电池的温度、电压和电流参数都需要实时和直接的系统监测，但是测量精度和可靠性依赖于传感器的位置和分布。

我司各产品线的电池传感器位置和分布

袁弘等[22]为电动汽车安全预警系统提供了云计算技术应用，根据对电池热电、生化参数的监测，实现数据云同步。
[1]袁弘,张明江,李建祥,张秉良.基于云服务的电动汽车电池安全预警系统设计[J].计算机应用与软件,2014,31(09):63-66.
https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFD2014&filename=JYRJ201409016&uniplatform=NZKPT&v=LC07AObpZUe58lCbbuZvp_tqzrKAfqVKSYTyJta2pIOd_EHfkGaVjOydiPsQRKN2
https://mall.cnki.net/magazine/Article/JYRJ201409016.htm

电池监测系统在检测隐患方面具有较高的实用性和可靠性，可以延长热危害的救援时间，降低灾难发生几率。但是当热失控一旦发生并且比较猛烈时，就需要采取措施防止热失控的蔓延，降低对邻近电池的危害。

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

对统计周期内的车辆事故按照月份分析，如图 3 所示。可以看出，夏季（5 月-9 月）是事故的高发期，占全年事故量的 60%以上，说明新能源汽车事故与全年温度变化呈高度相关性[9]。

对事发时车辆的使用状态进行统计，分析结果如图 4 所示。可以看出，事故发生时处于行驶、充电和静置状态的车辆分别有 30.7%、36.2%和 33.1%。进一步，将事发时车辆动力电池的电量状态以荷电状态（SOC）进行分析，如图 5 所示。从图中可以看出，事发时有 65%的车辆发生事故时为 80%-100%，说明高电量状态的车辆的安全性需要尤为关注。高荷电状态的锂离子电池具有较低的安全性与其材料的本征热稳定性有关，以 NCM 正极材料而言，其分解温度会随着镍含量的增加、锂含量的减少（即 SOC增加）而降低[10]。

分析事发时车辆的行驶里程，统计结果如图 6 所示。从图中可以看出，分别有 42%、21%、16%的车辆发生事故时的行驶里程分别为 1~5 万公里、5~10 万公里和 10 万公里以上。其中仅有 6%的事故车辆的行驶里程小于 1 千公里，即大部分车辆都是长周期使用后出现了事故。

综上，通过对统计周期内的新能源汽车事故进行深入分析，发现新能源汽车事故呈现以下典型特征：
（1）货运车辆和营运用途车辆事故占比高；
（2）事故与气候关联性高，季节性变化显著；
（3）使用后的车辆占比高；
（4）电池处于高 SOC 状态时自燃事故易发，此时车辆多处于充电至高电位、充电后行驶和充电后静置状态。

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，整车控制器也未报警，监测平台无反馈和提示，最终导致正在充电的大巴车着火。

上述部分事故可通过分析监测平台的电池运行数据进行溯源和定位，但是也存在一些车辆在充电中或在充电完成后静置过程中发生起火，但从运行数据无法定位事故原因。因此，动力电池未发生明显过充，在静置中起火的案例本文将其归类到无事故自燃门类中。

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

正面或者追尾碰撞引发电池包在 X 方向发生变形
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
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报警方法，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报警甚至冒烟、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

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
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。

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

因为新能源汽车在实际运行过程中，需要面临各种复杂环境、振动冲击等应用工况，因此对比在可能引入导致电池自发失效的各种诱因的各关键阶段中，实际使用环节是最为复杂和最难控制的，下面对其可能诱因进行分析。

1、滥用/综合应力作用造成电池热失控

如前所述，车载动力电池可能会面临各种外力的综合作用，其中既包括单因素作用，也包括多种复杂因素下的综合作用。其中，
a. 对于机械滥用，主要是指经过滥用后表观上没有明显变化、但在经过一定时间后发生自燃的情况（区分于本文 2.2 部分的情形），包括在整车发生碰撞、振动冲击等时，电池可能发生变形、破裂等，以及电池包内热管理系统发生冷却泄露泄漏等。
b. 电解液、冷却液泄露等会破坏电池系统内部的电气绝缘，导致（局部）短路的发生，并在放置一段时间后，由于热量的积累可能会导致可燃塑料件燃烧或电池自发的冒烟、起火事故。
ⅰ. 文献[17]中报道的案例便是碰撞导致冷却液泄露后，在长期静置中发生的电池系统自燃。电解液泄露的事故案例是 2020 年某品牌的纯电动公交车由于停放时发生电池漏液未及时发现，进而导致了电池自燃。对于热滥用，电池在经受过高温滥用后，其内部可能会发生各类失效，并进而导致自发失效发生。
c. 在实际使用过程中，还包括多种应力的综合作用，例如在
ⅰ. 低温环境下进行不恰当充电导致析锂
ⅱ. 高频率或大电流快充造成电池内部不可逆损伤
ⅲ. 振动导致电池内部生产缺陷放大
ⅳ. 连接件间接触不良导致局部容易过热等。

2、BMS 失效

电池管理系统作为电池包的大脑，如果因为各种外因或者可靠性问题发生功能安全故障，有可能会导致各种不良情况的发生，例如

电压检测失效可能会导致过充或过放
电流检测失效导致过热、析锂
温度检测失效导致过热
低压线束如果发生绝缘皮破损等问题也可能会造成短路并引发线路起火等[18]
BMS 硬件电路板发生故障如 MOS 管烧毁、均衡电阻失效、虚焊等也会导致起火的发生。

3、电池老化

动力电池典型的自发热失控过程，通常可以认为包括以下主要过程：
（1）SEI 膜分解，负极表面暴露，导致负极与电解质发生放热反应；
（2）隔膜高温收缩或破损，导致正负极活性物质直接接触，发生剧烈的氧化还原反应；
（3）正极氧化物分解释氧，并与电解质反应。

在实际使用过程中，由于正负极在反复充放电过程中产生的膨胀、塌陷以及产气等导致的结构损伤[16]，以及电池内部温度过高导致 SEI 分解或隔膜收缩，以及各种原因导致的隔膜破孔都有可能诱发电池内部自发热失控的产生。

2.4 小结

本文首先从新能源汽车起火事故主要成因分析出发，总结了充电问题、碰撞、IP 防护失效、动力电池自燃等典型原因导致新能源汽车起火的主要成因。进而针对目前最难解决的动力电池自燃问题，从动力电池的关键材料、电芯设计、生产制造、系统集成和实际使用等多个环节梳理了可能导致自燃的各种诱因。基于上述分析，提升动力电池的安全性，需要从产品设计开发的全流程、全维度（结构安全、电气安全、功能安全、热安全和主被动安全等）的各个环节入手，尽量减少电池发生自发失效的潜在风险。
同时，从产品使用的全生命周期出发，加强面向老化产品的验证测试，将风险识别并尽量消灭在产品验证过程中。通过本文的分析希望对于提升动力电池产品的安全使用提供有益参考。

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

电动自行车主要起火原因为充电线路、蓄电池及充电器故障[3]。

电动自行车行驶中发生火灾的主要原因是车辆电气线路过负荷、短路，由于电气安全装置不合格，不能及时切断电源，大电流引燃绝缘或其他易燃可燃材料所致。
充电过程中发生火灾主要是由车辆自身电气线路短路、充电器线路过负荷、车辆电池故障引起。

3.2 电动自行车火灾预警

对电动自行车充电电压、充电电流和电池表面温度进行监视：

电池表面温度到达70℃，及时提醒使用者，断电并找出出现问题的原因
充电器选型不规范，会测量到一个高于电池两端满电压的瞬时电压，此时可以及时提醒使用者，告知充电器存在的安全隐患
充电器输出电流过高，会产生非预期的电流，电流超过电动车本身负荷能力，引发火灾。当电流超过预警值时，及时提醒使用者，并及时切断充电线路。

四、动力电池常见故障分析与预警方法_时玉帅

本论文主要开发一种基于后台动力电池大数据的电池故障分析与安全预警方法。该方法主要从短期安全预警和长期健康预警两个层面来保护动力电池安全和延缓电池衰减。

4.1 短期安全预警

目前电动汽车常见的故障有过压，欠压，过温，SOC 跳变，过放，过充等故障。上述任何故障的出现都会降低电池的有效寿命，频繁的短期故障随着时间的累积最终导致电池的长期安全隐患，同时影响整车的性能[3-5]。这些故障的出现一方面起到了暂时保护电池的作用，另一方面也说明了电池系统相应功能的失效。下面详细分析一下各个故障出现对应的功能失效点。

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

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报警时，主要原因是系统的连接电阻异常，此时由于接触不良