【原创】新能源电池包热失控防护方式探究

为了改善电池包热失控性能，本文通过试验的方法，对电池包内部热失控的防护方式进行 研究，对电池包内部不同的位置、不同防护材料进行对比，并分析了影响明火外泄的主要原因， 经研究发现，针对绝缘性的防护是影响明火蔓延到电池包外部的重要原因。

作为新能源电动汽车的核心零部件，电池安全 尤为重要，电池失火以及热失控蔓延将会严重影响 乘车人的安全。因此，降低电池起火风险以及电池 包热失控阻隔防护，在新能源汽车安全中尤为重要。

为了提高电池系统的安全性能，企业和高校纷 纷在电池包热失控防护方面做了大量的研究，并提 出多种阻隔防护措施。张少禹等人以 NCM811 型电 池为研究载体，通过试验的方法对比了不同阻隔材 料、阻隔厚度及阻隔层数对热失控阻隔效果的影响；Chen Jie 等人针对冷却与热失控一体化的阻隔方 案，确定了一种阻隔方案同时满足热失控蔓延和电 池模组冷却；刘蒙蒙针对电池热失控分别从单体电 芯、模组和 Pack 层面分别研究其失效机理，以及 防护措施；高飞等人通过实验验证了三元乙丙橡胶 在电池热失控中的阻隔作用；邹振耀等人通过对热 失控总结研究，认为增加额外阻隔方案是控制热失 控扩展的重要方向，同时多种阻燃材料被进行研究 总结。

本文通过试验方法对比研究了电池包内部多种 热失控阻隔方案。根据试验结果，对比研究了电池 包内部阻隔位置、阻隔材料对热失控蔓延时间的影 响，并分析了电池包内部高压器件在热失控过程中， 与周边金属件的短接是影响热失控的重要因素。这 对电池热失控防护设计具有重要参考价值。

电池包热失控试验分析

1. 电池包热失控发生机理

如表 1 所示，导致动力电池热失控的主要触发 机理为：机械滥用、电滥用和热滥用 , 本文试验选 用热滥用触发机理。

表 1 热失控失效机理

2. 试验设置

热失控触发方式采用加热平板（400 W、220 V） 贴在电池包内某个电芯表面，恒定功率加热。当电 池温升速率超过 1 ℃ /s，持续 3 s，并且电池温度 超过其工作使用温度，此为热失控开始时刻t s ，并 记录热失控开始时刻；电池包有明火泄出超过 5 s， 记录此时时间t w ；热失控防护保持时间为t b，其计 算公式如下：

t b=t w-t s （1）

3. 温度检测

电池包内部根据实验需求布置阻隔材料。同时， 电池包内部不同位置需要进行温度采集，用于触发 依据和结果分析。温度采集选用 K 型热电偶，其温 度采集布置如图 1 所示。其中，t c 检测电芯表面温 度，t s 检测防护材料近电芯侧温度，t f 检测防护材 料与电池壳体间的温度。

图 1 热失控温度检测点

电池包热失控试验结果

1. 阻隔方案设计

本文研究对象为 51 Ah 高镍 锂离子方形电芯电池包，根据防 护材料、防护位置不同，防护 方案分别见表 2。方案一未做任 何防护，用于跟其他 3 种防护 阻隔效果对比，所选用的两种 材料耐高温均超过 1 000 ℃， 导热系数均小于 0.05 W/(m ·K)。其中，方案二和方案三在电池 包内防护位置如图1所示。其中， 1 为模组；2 为防火材料，对应 表 2 中方案二的预氧丝毛毡和 方案三的陶瓷橡胶；3 为电池包 上壳体；4 为高压连接件铜排， 铜排的作用是串联电池模组以 及整车高压连接件。方案四为 高压连接件铜排外部包覆陶瓷 橡胶，其包覆以后的实物如图 2 所示。

表 2 阻隔试验方案

图 2 方案四实物

2. 试验结果对比

将表 2 中四种试验方案分 别进行热失控试验，分别统计其 热失控防护保持时间，其试验结 果如图 3 所示。方案一无任何防护阻隔措施，其热失控保持时 间为 636 s，方案三和方案四的 防护保持时间分别为 2 576 s 和 2 361 s，与方案一相比，其热失 控防护阻隔效果明显。方案二防 护保持时间为 762 s，与方案一 相比，其热失控防护阻隔没有明 显效果。

图 3 不同方案热失控时间对比

热失控试验结果分析

1. 热失控失效形式对比

分别拆解试验以后的 4 个电 池包，分别针对其火焰泄露位置、 壳体失效形式及电池包内部零部 件试验以后的状态进行分析。

方案一和方案二的热失控电 池包壳体火焰泄露区域分别如图 4 和图 5 所示，其壳体失效形式 类似，均为高温融穿孔洞；其失 效位置均为远离电芯喷火处，并 且均不是电芯防爆阀正对位置；其附近均有高压连接件铜排，并 且铜排均有熔断现象，图 6 为高温熔断的铜排；电池包内部存 在多处铜排与金属件熔融搭接现 象；电池包内部所有非金属件均 烧成灰烬，包括铜排表面绝缘层， 金属部件相对完整。

图 4 方案一壳体失效形式

图 5 方案二壳体失效形式

图 6 熔断铜排

方案三和方案四火焰泄露位 置以及壳体失效形式相似，均为 电池包壳体上方，其失效形式为 壳体受压膨胀变形过大导致的裂 纹，如图 7 所示。电池包内部非 金属件烧成灰烬，非金属件较为 完整。

图 7 方案三、方案四壳体失效形式

2. 电池包内部温度分析

图 8 ～ 10 为试验过程中， 电池包内部温度传感器随试验时 间温度变化曲线，表示电池包壳体试验过程中的温度变化。其中， 试验结束时，壳体温度采集点最 高温度如表 3 所示。

图 8 温度变化曲线

图 9 方案一、方案二温度变化曲线

图 10 方案三、方案四温度变化曲线

表 3 试验结束电池壳体温度

3. 试验结果分析

电池包壳体材料为钣金材 料，材料牌号为 DC06，其熔点 超过 1 500 ℃。方案一和方案二 试验结束时候采集的温度均低于 熔点温度。所以，导致壳体融穿 的温度并不是热失控的高温导致 的熔化，应为局部区域温度突变 增高导致。针对方案二和方案三、 方案四的试验对比，其主要差异 性为绝缘性防护，特别是高压连 接件绝缘性防护。因此，高压连接件铜排在热失控中的绝缘失 效，是影响方案二防护时间短的 重要因素。

根据试验结果分析，电池壳 体局部温度突然增高超过熔点， 并非电芯燃烧或者泄压所致，但 是其附近铜排均有熔断现象，并 且对电池包内部拆解均有铜排与 附近金属件搭接短路熔融现象。

因此，可以得出结论，方案 一和方案二导致热失控时间短的 主要原因：铜排在热失控过程中， 由于绝缘皮高温烧毁，同时铜排 以及周边零部件的高温变形、损 坏，导致铜排与上壳体短接，形 成局部瞬间高温，引起上壳体局 部熔化、穿孔，导致明火外泄。同时，方案四通过对铜排的防护，证明了高压连接件铜排在热失控 防护中的影响，铜排与上壳体短 接引起局部高温融穿导致的热失 控失效，是导致影响热失控防护 一个关键因素。对于防止内部高 压连接件与壳体短接导致高压短 路，也是电池包热防护一个关键 的防护措施。

结论

1. 本 文 通 过 试 验 的 方 法， 对电池包内部选用不同的试验材 料、零部件防护位置进行对比试 验研究。试验表明，高温绝缘隔 热材料阻隔效果明显优于非绝缘 隔热材料。

2. 本文通过对试验过后壳 体失效形式研究，分析其热失控 失效主要因壳体融穿失效。这是 因高压连接件短接壳体，并非电 芯燃烧导致。

3. 本文通过研究发现除了热 失控防护设计，对于高压连接件 短接的防护是阻断热失控蔓延的 关键因素之一。

  来源：AI《汽车制造业》