在前兩文中，我們對鋰動(dòng)力電池近些年的安全事故進(jìn)行了回顧與分析，并對安全問題的“演變”和“觸發(fā)”層次進(jìn)行了分析，這里我們繼續(xù)與大家分析安全事故最后一個(gè)層次”擴(kuò)展“的機(jī)理。

4.鋰動(dòng)力電池安全事故擴(kuò)展

熱失控觸發(fā)后，局部單體熱失控后釋放的熱量向周圍傳播，將可能加熱周圍電池并造成周圍電池的熱失控，也稱之為熱失控在電池組內(nèi)的“擴(kuò)展”。單體電池?zé)崾Э厮尫诺哪芰渴怯邢薜模侨绻l(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)造成熱失控的擴(kuò)展，整個(gè)電池組的圖6事故觸發(fā)的分類能量通過熱失控釋放出來，將會(huì)造成極大的危害。

圖4、圖5所示的25A·h三元鋰離子電池（具有約0.1kW·h的電能）熱失控時(shí)釋放出的能量約為630kJ，相當(dāng)于0.15kgTNT當(dāng)量。對于一個(gè)具有60kW·h的純電動(dòng)車的動(dòng)力電池系統(tǒng)而言，如果所有單體由于熱失控?cái)U(kuò)展而釋放出全部能量，將會(huì)相當(dāng)于釋放出90kgTNT當(dāng)量的能量。也就是說，熱失控?cái)U(kuò)展一旦發(fā)生，造成的危害將會(huì)很大。因此，人們需要防范熱失控?cái)U(kuò)展的發(fā)生，把熱失控局限于部分單體。

熱失控?cái)U(kuò)展的機(jī)理

從能量守恒的角度而言，當(dāng)熱失控單體的周圍電池受到的熱失控?cái)U(kuò)展造成的加熱功率大于其本身的散熱功率時(shí)，受到加熱的周圍電池的溫度就會(huì)升高，繼而發(fā)生熱失控觸發(fā)。如圖7（a）所示的方形電池模塊內(nèi)，熱失控?cái)U(kuò)展過程中的熱量傳遞有3條可能的主要路徑：

1）相鄰電池殼體之間的導(dǎo)熱；

2）通過電池極柱的導(dǎo)熱；

3）單體電池起火對周圍電池的炙烤。

殼體導(dǎo)熱與極柱導(dǎo)熱的兩條路徑主要作用于相鄰電池之間，容易分析與控制。

對于方形電池而言，在殼體與殼體之間接觸良好的情況下，通過殼體的導(dǎo)熱要遠(yuǎn)大于極柱的導(dǎo)熱。而對于圓柱形電池模塊而言，如圖7（b）所示，單體與單體之間的傳熱還可能需要考慮熱輻射的影響。

而起火炙烤既可以作用于相鄰電池，也可以作用于周圍的電池系統(tǒng)附件，評估其對于電池系統(tǒng)造成的危害會(huì)更加復(fù)雜與困難。有研究表明，電池起火燃燒放出的熱量要高于不起火時(shí)單純熱失控放出的熱量。發(fā)生起火后，火焰一般附著在熱失控電池閥體周圍。同時(shí)，由于火焰的外焰溫度最高，因此閥體開啟方向上的電池及附件受到的加熱最為劇烈。

另外，從設(shè)計(jì)角度看，電池系統(tǒng)本身具有一定的密閉性，熱失控產(chǎn)生的高溫氣體來不及擴(kuò)散，也可能會(huì)加熱周圍的電池。

防范熱失控?cái)U(kuò)展與電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的矛盾

根據(jù)熱失控?cái)U(kuò)展的機(jī)理，可以有針對性地設(shè)計(jì)防范熱失控?cái)U(kuò)展的方案。

首先，需要防止火焰的發(fā)生?？梢酝ㄟ^閥體噴射方向的設(shè)計(jì)，來引導(dǎo)火焰的生成方向；也可以加入滅火劑來進(jìn)行滅火。當(dāng)然，動(dòng)力電池系統(tǒng)通過了安全性測試標(biāo)準(zhǔn)，火焰發(fā)生的概率已經(jīng)得到降低；同時(shí)，動(dòng)力電池系統(tǒng)密封性良好使電池系統(tǒng)內(nèi)部氧氣含量不足，也不利于火焰的生成與發(fā)展。

其次，要考慮高溫氣體擴(kuò)散對電池系統(tǒng)其他部件的影響。部分電池已經(jīng)具有能夠及時(shí)排出高溫氣體的系統(tǒng)。

同時(shí)，要適當(dāng)阻隔電池之間的傳熱路徑，如在單體電池之間設(shè)置隔熱層。需要注意的是，在熱管理中，電池殼體間可能預(yù)留有空氣空隙以供風(fēng)冷，并將相鄰電池隔開。但是在熱失控?cái)U(kuò)展過程中，熱失控電池膨脹，空氣空隙將因?yàn)殡姵氐呐蛎浂?。此時(shí)，電池與電池之間的傳熱仍然是快速導(dǎo)熱，用單純預(yù)留空氣空隙的方法防范熱失控?cái)U(kuò)展是行不通的。

另外，可以通過在單體熱失控觸發(fā)之后，增強(qiáng)電池系統(tǒng)內(nèi)部的散熱；將故障電池周圍的電池進(jìn)行放電；在電池之間填充相變材料吸收熱量等方法來抑制熱失控的擴(kuò)展。

然而，防范熱失控?cái)U(kuò)展的設(shè)計(jì)與電池系統(tǒng)的其他功能設(shè)計(jì)存在一定的矛盾。阻隔傳熱路徑的方法可能造成電池組內(nèi)部溫度不均勻程度的加劇，這與電池組熱管理設(shè)計(jì)中，溫度一致性的設(shè)計(jì)目標(biāo)相矛盾。另外，增加滅火、排氣、隔熱等措施，均會(huì)降低電池系統(tǒng)比能量，增加電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。

如何合理地配置安全性措施，以防范熱失控?cái)U(kuò)展的發(fā)生，同時(shí)考慮電池系統(tǒng)性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)成本，是電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重要議題之一。

動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性問題主要分為3個(gè)層次，即“演變”、“觸發(fā)”與“擴(kuò)展”。動(dòng)力電池安全性事故發(fā)生之前，應(yīng)通過系統(tǒng)算法對安全事故進(jìn)行預(yù)警。熱失控觸發(fā)發(fā)生后，應(yīng)防止熱失控?cái)U(kuò)展的發(fā)生。熱失控?cái)U(kuò)展過程機(jī)理的進(jìn)一步認(rèn)識有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低安全性事故造成的損害。進(jìn)一步深入研究安全性問題各個(gè)層次的機(jī)理及其演變過程，提出有效的事故防范措施和安全性監(jiān)控措施，是下一步研究的工作重點(diǎn)。