实现安全零熄火电池设计的先进方法

介绍：电池安全的演变景观

随着锂离子电池成为现代车辆和能源系统的支柱，安全性和成本成为电动汽车、储能、下一代航空、电动工具等的决定性挑战。包括热 runaway 事件、系统故障和加利福尼亚州莫斯兰丁电池工厂火灾在内的高调事件加速了对更严格安全法规的推动（见图1）。从全球来看，中国的即将出台的电池安全法规将显著更加严格，要求 无火灾和无爆炸（见图2）。 欧洲和美国市场预计会遵循中国的监管指引。 

电池安全工程师需要的不仅仅是坚固的材料来满足越来越严格的法规，以平衡安全和性能。以下核心概念有助于将热传播的风险降到最低： 

• 选择合适的细胞化学和细胞包装
• 避免气体点火
• 阻止细胞间的传播
• 避免电弧和防止短路
• 提供足够的散热器
   

为了满足这些不断变化的法规，并帮助确保所有应用中的电池热安全，AVL开发了一种“无熄火”电池组设计，该设计体现了上述所有概念。通过采用“三脚凳”方法，将模拟、经验测试和分析结合起来，这种设计成为可能。通过采用结合多尺度模拟、严格安全测试和数据驱动分析的综合方法，工程团队可以在更短的时间内开发出更安全、更合规的电池设计。在接下来的几节中，我们将深入探讨这种方法，包括模型验证和利用人工智能的高级方法的示例。 

通过虚拟化实现安全设计

尽管物理测试是设计验证计划（DVP）的基石，但它无法以成本效益高的方式捕捉所有真实世界中的滥用情况。工程师需要在硬件甚至不存在之前预测危险并验证安全策略。模拟可以运行成千上万的虚拟“假设”场景，这减少了破坏性测试并加速了开发时间表 [2]。

工程师如何利用建模来减少热传播（TP）？

准确的热传播建模始于对正常运行条件的深入理解，包括： 

• 欧姆加热：用于设计冷却回路、热设计
• 等效电路模型：快速运行，BMS开发
• 电化学模型：深入化学理解，正常和破坏性
• Batemo细胞模型库：准备就绪，高精度的基准模型
   

除了正常操作之外， 还提供一系列危险场景以帮助确保安全：

• 基本效应包括细胞热释放、通风、熔化、爆破盘、可燃性
• 粒子行为
• 弧概率
• 固体化学
• 包装变形

图3：模拟危险场景

工程师可以将系统级仿真、3D计算流体动力学（CFD）和混合解决方案结合在一起加以利用。 

• 实时系统仿真专注于电化学和热模型、快速充电分析以及从电池到电池组的系统级安全。
• 3D-CFD模拟用于对热设计、热失控、通风气体流动和固体颗粒喷射进行详细模拟。

高级效果：从细胞热释放到电弧和粒子喷射

每个先进的热传播模拟的核心是准确建模单元热释放。图5显示了开发过程中使用的三种常见方法。实现对热生成和通风气体的极其可靠的预测可以在进行昂贵的物理包装级别测试之前进行虚拟验证。

无论热释放水平如何，实现无熄灭设计都取决于消除潜在的点火源。电解质蒸汽由于过热或电弧可能会引发火灾。为了最小化风险，使用帕申定律模拟电弧发生的概率，同时考虑几何形状、距离和压力。除了电弧风险，通过预测熔点和材料去除，还可以模拟热颗粒喷射造成的损害。图6说明了模拟这些效应如何为工程师提供设计更安全电池组的关键见解。

图6：模拟电弧和粒子喷射。 [4]

混合和AI驱动的工作流

将1D系统模型与3D仿真相结合可以在速度和细节之间取得平衡，然而这只是更复杂工作流程的起点。工程师可以利用这些仿真的AI来探索整个设计空间，并使用相同的模型在安全、成本和性能之间进行即时权衡分析。训练过程利用真实数据和模拟数据或两者的组合。

电池测试：全面捕捉电池行为

仿真模型需要测试数据来验证最终设计中模型的准确性。对于电池安全而言，这不仅仅是标准循环或验证。为了实现无火焰输出电池包设计，工程师必须将高级仿真与严格的实证测试结合起来，以表征电池和子组件在极端滥用条件下的行为。这些测试是在受控、仪器化的安全测试室中进行的：一个旨在包含高能事件并捕获关键数据而不会外部火焰释放的受控环境（见图8）。

该安全测试协议再现了最坏情况的场景，如过充电、钉穿透和热斜坡条件。高速热电偶、压力传感器和气体分析仪记录了包括通风开始、气体成分和热释放速率在内的瞬态现象，而多角度视频分析记录了火焰演变和颗粒喷射。这些实验描述了热失控的两相性质，即初始缓慢的温度上升，随后是快速、严重的升级，这对于确定散热器尺寸和设计通风路径至关重要。

其中一个最重要的结果是验证了安全排放策略。包级概念表明，初始温度超过1300°C的气体在离开电池包之前可以冷却到低于100°C，消除了外部点火的风险，并满足“无火，无爆炸”的要求。传播研究表明，当相邻电池同时经历机械变形和电解液暴露时，故障加速，因此引入热障和机械隔板以中断热传递并防止级联故障。

滥用测试活动以确保安全性和合规性

为了确保安全和符合法规，工程师进行多项评估：

• 量化失速期间的热释放和压力上升，以进行准确的热建模。
• 表征排放气体成分和点火阈值，以指导排放设计。
• 验证冷却策略，以将排放气体温度从约1300°C降低至<100°C。
• 识别促进传播的加速剂，采取热和机械隔离措施。
   

遵守全球标准（UN38.3、IEC、ISO、SAE、GB）已融入工作流程。这些评估通常涉及为每个测试专用的机库；AVL通过开发模块化安全测试腔，使测试更经济高效并提高吞吐量。 这些项目的实证数据直接输入到1D和3D模拟中，从而对传播行为进行高保真预测，并对模块分割、通风结构和热缓冲材料选择进行迭代优化。

尽管全面的包装测试对于最终验证仍然是必不可少的，但详细的小规模滥用测试和经过验证的模拟模型的结合将破坏性包装测试减少到传统计划的很小一部分，节省了时间和成本，同时不降低安全保证。这种闭合回路方法对于实现能够在最坏情况下证明零外部火焰释放的包装架构至关重要。

工程团队可以利用数据分析来处理数千个来自滥用测试和模拟的频道，检测诸如异常电阻增长或前体失控等关键事件。上面的图像显示了放电容量和动态电阻趋势如何用于异常检测和退化跟踪的可视化。这些见解验证了模型，优化了测试策略，并加速了设计决策。

一旦产品投放市场，分析的重点就转向现场数据。通过数字孪生和车队级监控进行现实世界的性能测试，有助于识别电池不匹配或早期循环劣化等模式；这些信号在实验室中无法再现。这些发现反馈到模拟和测试中，提高预测准确性，并指导新的设计迭代。

分析完成了测试-模拟-分析框架，通过：

• 将模型与经验及现场数据进行验证。
• 突出测试覆盖的空白，并告知新的滥用场景。
• 推动连续设计优化以减轻热传播并提高生命周期安全性。

这个反馈循环确保每个包装设计都从数据驱动的预测中演变，使安全不仅成为一个验证步骤，而是一个持续的过程。

结论：无火焰电池设计

通过应用“三脚凳”方法：测试、模拟和分析，工程团队可以为涵盖移动性、电网储能、航空和海事的应用提供无熄火设计：

• 测试：在正常和极端条件下捕捉真实行为。
• 模拟：建模复杂的相互作用以指导更安全的设计。
• 分析：将数据转化为持续的洞察和预测。

这种方法使工程团队能够实现以下KPIs，确保安全和合规：

• 气体冷却：排出气体从约1300°C降低到<100°C在离开电池包之前。
• 传播控制：热失控被限制在起始模块内；在设计极限内没有电池间的传播。
• 外部火焰： 在最坏的滥用条件下未观察到外部火焰。
• 法规合规： 符合GB 38031:2025和联合国ECE R100提案中的“无火无爆炸”要求。
• 测试效率： 通过验证的小规模测试和模拟相关性，大规模电池组测试得以最小化。