如何进行电池包的热失控防护

目前为止，还没有看到100%有效的系统性防护方案，而电动汽车总会发生起火（LEAF也烧过了），至今也还没有看到本征安全的电芯（LFP电芯早烧了很多；固态电池也并非绝对安全，析锂是必然…）。

所以，进行电池系统设计的人员，有一个前提是默认的，即电芯一定会起火爆炸，接下来要如何做。该种情况实际是热失控已经发生，如何避免热失控蔓延，避免导致整包，甚至是整车层面的起火燃烧。

业内的总体思路有两个：

第一：泄爆。

电芯一旦发生热失控，会快速产生大量高温气体，使PACK箱体内压急剧增加，如果气体不能得到有效释放，将造成两个潜在危害：（1）高温气体（与熔融物）加热周围电芯，可能引发其他电芯发生热失控；（2）IP67级的箱体，具有很强的密闭性，有可能会炸裂，或严重形变，让外部空气进入，产生明火。

所以，电池箱体要设计有效的防爆排泄路径、排泄口，对外的引导方面，排放方向应避免进入乘客舱。

对于泄爆出口的位置，一般选在电池系统的前后端，这里看三个例子：第一、IPACE，有两个较大的防爆阀安装在后端；第二、上汽ER6，设计有4个防爆阀，分别位于前后端的角落处，ER6在防爆阀内侧增加了一层薄钢片，以避免高温烟气直接冲击防爆阀而引发爆燃，高温气体需要通过防护钢片的阻挡，再从钢片与电池托盘的间隙中到达排气阀口。

这个小细节与IPACE的细节相反，IPACE在防爆阀的外面设计有金属网笼，一方面避免急速排出的高温气体直接冲击车身，另一方面对里面的防爆阀起结构防护作用。

第三是特斯拉Model 3，它设计有两个主防爆阀，位于电池包后端，防爆阀外有半开放式的防护结构，同时对喷射出去的气体起到导向作用，均斜向地面。

除了在前后端，也有设计在电池包两侧的，代表案例是Model S，它除了在前端有一个泄爆阀之外，两侧各有很多个小的防爆阀（最初的设计有84个，后面的设计数量有所减少）。

84个阀的配置明显是有些冗余，从实际事故来看，确实可以将火焰引导到电池包两侧喷出，并且面向地面。这个设计的不足在于，增加了整个箱体的结构复杂度，成本也高，当车内仍有人时，两侧喷火的泄放会阻碍人的逃生。

第二：隔离。

隔离的目的是阻断传播，它包括电池包内的隔离，电池包外的隔离。电池包内的隔离包括利用纵横梁对模组进行隔离，利用耐火隔热材料进行隔离。根据兰钧孙总的分析：

（1）这些结构要能够耐高温，导热率越低越好；同时，在各自区域的电池箱下壳体底部和侧面均设置有云母纸，要求耐温500-800℃高温，阻燃UL94V-0。

（2）采用耐火隔热材料，在电池包与车辆之间建立隔热屏障，延缓电池箱高温扩散至乘客舱（延长逃生时间）（US,20130153317）。

典型的技术材料应用如：隔噪、减震、阻燃、隔热材料6mm，二氧化硅+氧化钙纤维+粘结剂；3mm，闭孔发泡聚氨酯片导热系数＜0.25W/mK，900℃稳定，1000℃稳定10sec。

（3）包内采用耐火隔热材料将电芯/模组与上盖隔离开来，以防止电芯燃烧起来后，喷射的高温火焰将箱体烧穿，要求：

• 耐温性能：持续耐温1000℃@导热系数0.23W/m.K，间歇耐温1200℃

• 隔热性能：600℃，20min@厚度3mm，冷面温度＜200℃

• 金云母材料耐温性能：持续耐温600 ℃ @导热系数0.18W/m

（4）电芯之间和模组本体进行隔离，包括防火棉、灌封胶等，在Model S和Model3上分别有应用。电芯之间的隔离是为了阻断热量的传递，减缓对周围电芯的加热；模组本体隔离（如灌封），则是从根本上破坏起火的三要素，使起难以构成燃烧的条件。

以上这些是被动的防护措施，完全是靠材料或设计本身来硬抗热失控的冲击，按照国标的要求，至少要能坚持5分钟以上。

除此之外，还有些主动的方案，如在大巴里应用比较多的灭火系统（现如今也在集成到了乘用车电池系统内），如及时有效的热管理，将热量及时散出去，等。

被动防护的很大一部分工作是传递给零部件企业或材料企业，他们需要提供好的防爆产品和耐火隔热材料，PACK层面重要的工作则是构建一个有效的防护系统，将各种方案和技术配置一个最适合自己的设计。

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Backup Data

以下热失控及防护的基本理论知识来自于欧阳明高院士团队，供大家参考，以便更好地理解热失控蔓延的防护。

一、

热失控造成危害要历经3个阶段：（1）热失控触发；（2）热失控发生；（3）热失控扩散或热失控蔓延。

我们所要畏惧的是第3个阶段。通常来说，触发电芯热失控主要是以下4类因素：（1）电气滥用；（2）机械滥用；（3）热滥用；（4）电芯自身的质量问题。

根据大量的实测案例，锂电池热失控有3个关键的温度点：

• T1是电池异常发热的起始温度；

• T2是电池热失控的触发温度；

• T3是电池热失控后达到最高温度

• max{dT/dt}反映热失控过程中的最大放热率，与电池的能量密度呈正相关。

三、下图是电芯级别的热失控过程和防护方案

四、下图是PACK系统级别的热失控状态图，以及相对应的热失控防护策略。

图A概括了热失控发生后，两条不同的热失控演变路径，根据不同状态或现象发生的先后顺序所绘制的，图B是详细的阐述。一条路径是由起火的三要素控制（氧气；可燃物；达到一定温度）的热失控蔓延路径；另一条是由热传递控制的热失控，如图A中灰色箭头，这是我们期望的热失控传递路径，它是可控的，但在一定条件下（gas migration, integrity loss, and fire ignition）会转换为上面路径。

五、导致热失控的4个滥用条件，以及相对应的防护思路

backup data 参考材料放在 知识星球 中。

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