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動力電池質(zhì)量安全專題(上)

文章出處:責任編輯:人氣:發(fā)表時間:2025-11-06【

1引言

越野車具有機動性好、環(huán)境適應性強等特點,在民用和非民用領域應用廣泛。其中,在野外勘探、搶險救災、移動通信、林業(yè)生產(chǎn)運輸?shù)让裼妙I域,越野車備受青睞,這些領域?qū)τ谲囕v的性能有一些個性化需求[1]。因新能源汽車能夠為用戶帶來更舒適和更豐富的駕乘體驗,越來越多的越野用戶選擇了新能源越野車型。目前,新能源越野車安全設計主要存在兩大挑戰(zhàn):一是尚未對越野場景建立標準,車型難以根據(jù)使用場景的差異化劃分不同的越野等級;二是動力電池設計及驗證與客戶實際越野場景不完全匹配。襄陽達安汽車檢測中心有限公司(以下簡稱達安)基于軍民越野車的開發(fā)經(jīng)驗,構建了相應的越野分級及電池測試方法。


2 越野分級方法

從客戶使用角度及越野車全使用場景分析,達安提出了一種越野汽車測評分級方法,包括兩個單元:越野能力和安心易控。

2.1越野能力

越野能力從整車基礎越野素質(zhì)和不同地形下的通過性兩個維度進行評價。其中,基礎素質(zhì)涵蓋整車設計的通過性參數(shù)、越野的脫困性能以及坡道安全性三個方面,并按照可測量、可對比的原則建立10項子項進行測試評價;越野地形的通過性則將客戶實際越野可能遇到的所有地形識別出來,包括垂直臺階、水平壕溝等15項,并確定了對各地形下越野難度的唯一對比參數(shù),如使用最大可通過的高度來確定越野車通過垂直臺階的能力、使用最大可通過的寬度來確定越野車通過水平壕溝的能力。 

2.2 安心易控

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圖一 安心易控評價維度分級圖


安心易控主要包含三個維度:越野安心、越野操縱和越野輔助,如圖一。越野安心是從機械設計上考慮越野過程中因磕碰等濫用場景對車輛部件造成損害的評估,主要包括底盤系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等;越野操縱則從整車的動力性、制動性以及操作便利性等方面,對越野車的性能及人機便利性進行評價;越野輔助主要對越野車的輔助性智能化控制功能進行評價,主要考核常規(guī)配置的陡坡緩降、上坡輔助等創(chuàng)新功能。

2.3 評級方法

針對越野能力和安心易控兩大維度的各級指標,達安建立了完整的評價系統(tǒng),包含數(shù)據(jù)測試模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、綜合評估模塊三部分。

數(shù)據(jù)測試模塊:對越野能力和安心易控兩個單元的三級指標進行測試,測試結果根據(jù)相關功能按照相應的評價標準進行評分。

數(shù)據(jù)處理模塊:用于分析和處理數(shù)據(jù)測試模塊中各三級指標的數(shù)據(jù),計算各項三級指標的得分。

綜合評估模塊:用于根據(jù)各項三級指標的得分和權重計算得到二級指標得分;再根據(jù)二級指標的得分和權重計算得到一級指標得分,最終根據(jù)一級指標的得分和權重計算得到越野能力和安心易控兩個單元的得分。

通過各指標計算得分,可以將車型對應劃分為由輕到重不同程度的越野類型。


3 電池測試方法

構建新能源汽車全生命周期電池安全,是推動行業(yè)進步和發(fā)展的關鍵技術要素。相較傳統(tǒng)燃油車,新能源越野車的電池安全則是實現(xiàn)安心越野的基礎性技術保障。

3.1 動力電池法規(guī)發(fā)展歷程

過去15年內(nèi),動力電池產(chǎn)業(yè)作為一種新質(zhì)技術實現(xiàn)了從無到有再到快速發(fā)展的過程,對應的測試技術及法規(guī)也隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展實現(xiàn)了全體系建設。

產(chǎn)業(yè)萌芽階段,通過QC/T 743—2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》,約束了電池單體和模塊在容量、性能、可靠性及安全測試等方面的底線要求,為行業(yè)持續(xù)發(fā)展提供了重要的技術參考。之后,隨著GB/T 31486—2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》等包括性能、循環(huán)壽命及安全在內(nèi)的標準體系的建立,動力電池測試方法也得以進一步完善。最近10年,針對新能源汽車在售后市場出現(xiàn)的自燃問題,國家強制性標準GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》替代了原來的GB/T 31485—2015《電動汽車用動力蓄電池全要求及試驗方法》和GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分:安全性要求與測試方法》標準,并提出熱失控測試方法及要求,進一步完善了電池法規(guī)及測試體系,為后續(xù)新能源動力電池及汽車的安全穩(wěn)定發(fā)展提供了重要保障。 

3.2 法規(guī)后續(xù)演變方向

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圖二 2015—2025(1—7月)國產(chǎn)新能源汽車滲透率

數(shù)據(jù)來源:中國汽車工業(yè)協(xié)會           制圖:《汽車縱橫》


2020—2025年,新能源汽車市場進入了高速增長期,動力電池標準法規(guī)也進入了發(fā)展期,如圖二。這一時期,標準法規(guī)在提升行業(yè)技術門檻、解決電動車市場痛點方面發(fā)揮了重要作用,如GB 38031—2025《電動汽車用動力蓄電池安全要求》(發(fā)下簡稱“GB 38031—2025”),在2020版的基礎上進一步完善和補充了電池包熱失控和振動、底部沖擊等試驗項目,不僅更加貼近車輛實際使用中的風險工況,也能夠更好地保證用戶安全。

除了安全之外,針對電池循環(huán)耐久壽命,GB/T《動力電池整車耐久性要求及試驗方法(征集意見階段)》要求整車在試驗道路或底盤測功機上運行,工況采用GB/T 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》定義的道路循環(huán)(SRC)。它由7個運行循環(huán)組成,每個循環(huán)的行駛里程為6公里,試驗溫度包括高溫、低溫和常規(guī)溫度,以最大程度地還原客戶真實使用場景下實車電池包的循環(huán)耐久。

3.3 越野車電池測試思考

法規(guī)測試是動力電池系統(tǒng)進入市場的最后一道防線,在新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中發(fā)揮著至關重要的作用[2]。根據(jù)不同分級的越野車實際使用工況,為保證車輛全生命周期內(nèi)安心越野,基于國家標準,達安形成了一套綜合性更強、更貼實際使用工況的電池測試方法,其中,機械振動和老化熱失控測試最為典型。 

3.3.1 機械振動

GB 38031—2025標準對電池包的測試主要分為兩種:一是針對M1類(包括駕駛員座位在內(nèi),座位數(shù)不超過9座,專門用于載客的機動車輛)和N1類(最大設計總質(zhì)量不超過3500千克的載貨汽車,主要用于貨物運輸,如輕型卡車、小型貨車等)車型;二是除第一類外的所有車型。每種測試方法采用同一隨機振動曲線,對安裝在振動臺上的電池包每個方向分別施加隨機和定頻振動載荷,按照一定的順序完成z 軸隨機、z 軸定頻、y 軸隨機、y 軸定頻、x軸隨機、x 軸定頻(汽車行駛方向為x 軸方向,另一垂直于行駛方向的水平方向為y軸方向)測試。因是法規(guī),從可實施性上無法根據(jù)車型的技術特性進行量身定制的測試。

基于此,達安構建了多軸振動測試方案:一是對被測車輛按照越野分級識別其典型工況;二是根據(jù)電池包掛點的設計方案在實際道路上完成對實車典型工況的載荷數(shù)據(jù)采集,通過載荷數(shù)據(jù)分析構建多軸臺架上的測試方案,主要包括隨機振動時長、頻率以及功率譜密度等關鍵技術參數(shù)。同時,參照國家標標準完成振動和浸水試驗,以及是否起火、爆炸、絕緣故障、泄露等檢核項目。

 3.3.2 老化熱失控測試

為探究循環(huán)老化對電池熱安全特性的影響,目前,相關學者針對不同類型的鋰離子電池已經(jīng)開展了大量研究。Zhang等[3]研究了電池在深度老化后的安全性變化,結果表明,老化電池內(nèi)部的固體電解質(zhì)界面(SEI)膜增厚和析鋰是電池熱穩(wěn)定性降低的主要原因。與新電池相比,老化電池的自產(chǎn)熱溫度更低,產(chǎn)熱速率更快。GB 38031—2025要求電芯快充循環(huán)后的安全測試,能夠?qū)﹄娦緦蛹壍睦匣療崾Э剡M行檢核,電池包層級并沒有類似老化熱失控測試。為保證安心越野,對于極限越野級別車型,達安參考電芯老化測試方法構建了電池包級別測試,并參照GB 38031—2025評價試驗結果。


4 結論

本文針對客戶越野場景提出了一種越野汽車分級方法,并參考GB 38031-2025標準,針對越野車型實際使用場景和工況,構建了電池系統(tǒng)機械振動及老化熱擴散等測試方法,以核查不同越野分級車型對應的機械組織和電池安全,最大程度為用戶安心越野提供技術保證。文中的電池包測試以方法論為主,達安將基于此方法論適配越野車使用場景,構建完善測試體系,以確保越野汽車電池安全。


參考文獻


[1]程建康,蔡未末,趙俊等CSAE越野汽車團體標準體系構建研究.第三十一屆中國汽車工程學會年會論文集(7):134-138

[2]王福君. 新能源電動汽車的電池系統(tǒng)測試評價體系研究[J]. 電子元器件與信息技術,2023(3):24-28.

[3]Zhang G, Wei X, Chen S, et al. Revealing the impact of fast charge cycling on the thermal safety of lithium-ion batteries[J]. ACS Applied Energy Materials, 2022, 5(6): 7056-7068.


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宋言格 寧德時代新能源科技股份有限公司 政府事務總監(jiān)

盧家懌 寧德時代新能源科技股份有限公司 產(chǎn)品安全主任專員



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宋言格

擁有超過20年汽車專業(yè)工作經(jīng)歷,職業(yè)生涯橫跨傳統(tǒng)汽車、新能源汽車及鋰離子電池三大重要領域。作為核心專家之一,多次參與國家汽車召回與“三包”領域相關政策法規(guī)及國家標準制修訂工作,包括《家用汽車產(chǎn)品修理更換退貨責任規(guī)定》、GB/T 43388—2023《家用汽車產(chǎn)品嚴重安全性能故障判斷指南》、GB/T 45497—2025《汽車產(chǎn)品召回 生產(chǎn)者指南》等。


[摘要] 


動力電池被稱作新能源汽車的“心臟”,它既決定了車輛的續(xù)航里程和性能,也深刻影響著使用安全。近年來,伴隨電動車數(shù)量的快速增長,電池熱失控、起火甚至爆炸等事故頻發(fā),成為社會與產(chǎn)業(yè)關注的焦點。本文以通俗和專業(yè)相結合的方式,梳理了電池安全的關鍵問題:從電芯與系統(tǒng)層面的隱患,到熱失控發(fā)生的物理機理,再到“漸變”與“猝死”兩類內(nèi)短路失效模式;介紹了五種主要預警思路,探討了液冷、刀片電池、微流道等工程設計如何“拉開安全邊界”。


[關鍵詞] 


動力電池;熱失控;安全預警;熱管理;工程防護

引言

近年來,新能源汽車產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)了快速增長,市場滲透率持續(xù)提升。在這一背景下,鋰離子動力電池憑借高能量密度、較長循環(huán)壽命及較高能量效率,成為新能源汽車核心動力源。然而,其安全性問題也成為制約產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的關鍵。鋰離子電池在制造環(huán)節(jié)中可能存在不可避免的工藝缺陷,同時在過充、過放、機械沖擊及高溫等極端運行條件下極易發(fā)生熱失控,進而誘發(fā)熱量和氣體的快速釋放,在嚴重情況下會導致燃燒甚至爆炸等嚴重安全事故[1]

通過對420余起典型電動汽車火災案例的系統(tǒng)性分析發(fā)現(xiàn),里程與熱管理方式對事故風險的影響日益凸顯。進一步分析還發(fā)現(xiàn),約48%的事故與電池本體失效直接相關;起火前荷電狀態(tài)(SOC)越高,失效概率亦顯著增加,其中44%的事故發(fā)生在SOC超過90%的條件下[2]。此外,熱管理方式對風險水平具有決定性影響:約60%的事故車輛采用自然冷卻,而采用液冷、風冷或直冷等強化散熱措施的車輛,其事故發(fā)生率明顯降低。

動力電池安全問題不僅是新能源汽車技術發(fā)展的核心瓶頸之一,也直接關系到用戶信任度與產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。由此產(chǎn)生三個亟待回答的問題,即:動力電池熱失控的內(nèi)在物理化學機理是什么?哪些故障模式是導致熱失控的主要觸發(fā)因素?當前的預警與防護體系是否足以應對復雜應用環(huán)境中的潛在風險?


1 電池系統(tǒng)里有哪些“會出事”的點

動力電池系統(tǒng)由電芯、管理系統(tǒng)(BMS)、傳感器和連接部件等構成,其運行安全性取決于上述子系統(tǒng)的協(xié)同作用。任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常,均可能引發(fā)失效鏈條,最終演變?yōu)闊崾Э鼗蚧馂牡葒乐厥鹿省,F(xiàn)有研究普遍將風險因素劃分為系統(tǒng)級故障和電池本體故障兩類。

1.1 動力電池系統(tǒng)級故障

系統(tǒng)級故障主要來源于監(jiān)測、控制與連接環(huán)節(jié)的異常。BMS作為動力電池的“中樞”,負責采集電壓、電流和溫度信號并據(jù)此執(zhí)行均衡、充放電管理與熱調(diào)節(jié),一旦其硬件或算法失效,將直接削弱系統(tǒng)的保護邊界。與此同時,連接件在服役過程中易受振動和老化影響而出現(xiàn)松動或接觸不良,其后果是等效內(nèi)阻升高和動態(tài)電壓差擴大,進一步導致局部發(fā)熱積累。這類故障往往以間接形式作用,通過削弱監(jiān)控與防護體系使電池更容易暴露于不利工況之下。

1.2 動力電池本體故障

電池本體故障直接源于電芯內(nèi)部材料與結構的失效,是熱失控最主要觸發(fā)源。制造過程中形成的隔膜針孔、極片毛刺或涂布不均等缺陷,在循環(huán)中可能演化為內(nèi)短路;在使用階段,過充、過放、機械沖擊或高溫暴露也可能引起隔膜收縮甚至熔化,導致電極直接接觸并觸發(fā)劇烈副反應。此外,老化過程中的活性物質(zhì)損耗、固體電解質(zhì)界面(SEI)膜增厚與鋰枝晶沉積,不僅會造成容量衰減,還會削弱體系的熱穩(wěn)定性。尤其在高荷電狀態(tài)下,這些隱患更易轉(zhuǎn)化為不可控的熱事件,從而在極短時間內(nèi)推動電池進入熱失控階段。

系統(tǒng)級故障與本體故障具有不同的作用機理:前者使監(jiān)測、保護能力降低導致風險暴露概率增加,后者則是直接導致事故發(fā)生的根本原因。因此,動力電池安全研究需要在兩個層面同時發(fā)力,既要提升監(jiān)控與防護環(huán)節(jié)的魯棒性,也要深入理解電芯內(nèi)部的失效機理,從而實現(xiàn)多層次安全保障。


2 熱失控到底是什么

動力電池熱失控的本質(zhì),是電芯內(nèi)部產(chǎn)熱與散熱之間的失衡[3]。一旦放熱反應的速率超過了系統(tǒng)的散熱能力,熱量便會在電池內(nèi)部不斷積累,最終突破熱穩(wěn)定邊界,引發(fā)自燃甚至爆炸。如Semenov模型所示,其提供了一個直觀的解釋框架:在該模型中,曲線代表電池放熱速率,直線則表示不同條件下的散熱能力。當產(chǎn)熱曲線與散熱直線存在交點時,系統(tǒng)可能處于平衡態(tài)。若交點對應的是“穩(wěn)定平衡點”,小幅溫度波動會被系統(tǒng)自動修復;而當電池運行在“非穩(wěn)定平衡點”附近時,輕微升溫即可導致產(chǎn)熱速率大于散熱速率,從而進入正反饋,最終滑向熱失控。

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鋰離子電池熱失控Semenov原理圖

進一步來看,Semenov圖中的臨界環(huán)境溫度(TNR)是決定電池能否保持穩(wěn)定的關鍵。當散熱條件不足時,曲線與直線無交點,電池不再具備任何平衡狀態(tài),必然發(fā)生熱量積聚和自燃現(xiàn)象。因此,提升散熱能力對于電池安全具有重要意義。

除了熱力學平衡的視角,電池熱失控還可以用“三步反應時序”來刻畫其演變路徑。首先,SEI膜在約69℃時開始分解,釋放初始熱量;其次,負極活性材料與電解液接觸,進一步放熱;第三,當溫度升至約120℃時,隔膜收縮甚至熔化,導致正負極直接接觸,觸發(fā)劇烈反應。此后,正極材料與電解液發(fā)生強烈分解反應,熱量呈指數(shù)級釋放,溫度急劇飆升,系統(tǒng)迅速坍塌至熱失控狀態(tài)。

Semenov模型和反應時序共同揭示了動力電池熱失控的物理本質(zhì):這是一個由電化學反應驅(qū)動、由熱力學條件決定的臨界過程。理解其機理不僅有助于解釋事故發(fā)生的根源,更為電池結構設計和熱管理策略的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。


3 “漸變”還是“猝死”:

電池內(nèi)短路的兩種安全風險

在電池熱失控誘因中,內(nèi)短路(ISC)是最典型且最具破壞性的故障模式[4]。根據(jù)接觸對的差異及其等效阻值水平,內(nèi)短路可表現(xiàn)為“漸變型”和“猝死型”兩種。

3.1 “漸變型”熱失控

“漸變型”熱失控多由正極—負極活性材料或正極—銅集流體之間的接觸引發(fā)。這類短路的等效阻值處于百歐姆或十歐姆量級,導致電壓緩慢下降,表面溫度幾乎無明顯升高,表現(xiàn)為一種“隱匿性”的退化過程。盡管外部觀測難以及時察覺,但長期能量不平衡的積累會顯著增加電池的潛在風險。

3.2  “猝死型”熱失控

“猝死型”熱失控則表現(xiàn)出極強的突發(fā)性。在滿電狀態(tài)下,若發(fā)生鋁銅—集流體接觸,內(nèi)短路阻值僅約0.1Ω(歐姆),數(shù)十秒內(nèi)電壓便驟降至0V(伏特),電池最高溫度可達100℃,并伴隨鼓脹與冒煙現(xiàn)象;若為鋁—負極接觸,則阻值約1Ω,但反應劇烈程度更高,可直接觸發(fā)氣體噴射和明火燃燒,溫度飆升至300℃以上,事故烈度遠超漸變型。這類事故往往在觸發(fā)前毫無明顯征兆,行業(yè)普遍采用“事故前5分鐘未觸發(fā)報警閾值”作為“猝死型”熱失控的判別標準。

內(nèi)短路既可能源于制造與材料缺陷等“先天”問題,也可能由過充、機械沖擊或高溫濫用等“后天”因素觸發(fā)。在實際場景中,機械、電氣與熱三類濫用條件往往交織作用,使電芯更容易跨越安全邊界。


4 預警怎么做?五條技術路線各有長處

熱失控一旦發(fā)生,往往在數(shù)秒到數(shù)分鐘內(nèi)迅速惡化,給車輛和乘員帶來不可逆的嚴重后果。因此,如何在事故發(fā)生前捕捉到早期征兆、建立可靠的預警體系,成為動力電池安全研究的核心課題。與單純的被動防護相比,主動預警不僅能夠為用戶爭取寶貴的處置時間,也能為電池管理系統(tǒng)提供反饋,從而觸發(fā)降載、斷電或緊急冷卻等措施[5]

4.1  基于知識的方法

基于知識的電池預警方法主要依賴專家經(jīng)驗與邏輯推理,其典型代表是車載診斷系統(tǒng)(OBD)。它通過實時監(jiān)測電壓、電流、溫度和SOC等參數(shù),并結合專家系統(tǒng)設定的閾值,實現(xiàn)運行狀態(tài)快速判別與風險抑制[6]。此外,模糊邏輯方法可引入內(nèi)阻與增量容量等特征量,對過充、過放及低溫工況進行模糊推理[7],較傳統(tǒng)閾值法具有更高的靈活性。但這類方法主要依賴專家知識庫,難以覆蓋復雜隨機的故障模式。

4.2  基于統(tǒng)計的方法

統(tǒng)計學方法以閾值判定和殘差分析為核心,廣泛應用于工程實踐。通過設定電壓、電流、溫度等多維參數(shù)的閾值,或計算觀測量與模型預測值的殘差,可實現(xiàn)實時預警[8]。其優(yōu)勢在于易于實現(xiàn)和工程可行性強,但問題在于閾值無法隨電池老化過程動態(tài)適配,導致難以及時捕獲早期隱性故障。

4.3  基于先進傳感器的方法

先進傳感器方法在電池內(nèi)引入光學、電學、熱學、聲學和電化學等智能嵌入式傳感器,全面監(jiān)測電池使用過程中的參數(shù)變化和副反應機理,為熱失控預警提供了新的有效手段。相關研究表明,基于空芯反諧振光纖的拉曼氣體傳感裝置,能夠在60秒內(nèi)檢測到CH2(甲烷)、C2H2(乙烯)、CO2(二氧化碳)、H2(氫氣)等多種產(chǎn)氣信號,檢測精度可低至5ppm(百萬分之五),實現(xiàn)對熱失控的敏感捕捉[9]。同時,光纖傳感器本身具備體積小、重量輕、耐腐蝕和抗電磁干擾等優(yōu)勢,可在電池內(nèi)部原位監(jiān)測溫度、壓力和氣體組分等多維參數(shù),對副反應機理的解析尤為有價值。但受限于車載空間、成本以及可能引入的二次失效風險,該方法目前更多用于實驗室研究和高端應用場景。

4.4  基于物理模型的方法

物理建模方法通過建立等效電路、熱模型或電化學—熱耦合模型,結合狀態(tài)估計與殘差分析實現(xiàn)預警。無跡卡爾曼濾波(UKF)和遞推最小二乘法可對SOC、內(nèi)阻與核心溫度進行實時估算[10],在實驗中已經(jīng)能夠在熱濫用觸發(fā)18分鐘內(nèi)識別出異常征兆。該類方法具有較強的機理可解釋性,但建模與參數(shù)標定要求高,限制了其大規(guī)模應用。

4.5  基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法

隨著大數(shù)據(jù)與人工智能的發(fā)展,數(shù)據(jù)驅(qū)動方法正快速興起。研究表明,通過對電壓、電流等運行數(shù)據(jù)進行深度學習建模,可以有效識別早期異常。其中,動態(tài)編碼器模型[11]對來自347輛電動汽車、約69萬段充電數(shù)據(jù)的訓練與驗證中,故障檢測精度達88.6%,顯示出強大的特征提取與異常識別能力。BERTtery(面向電池系統(tǒng)的雙向Transformer架構)模型[12]通過引入位置嵌入和工況嵌入,并利用時序編碼器與通道編碼器兩條分支進行表征學習,實現(xiàn)了多場景、多級別的故障等級預測。這類方法尤其適合車云一體化架構,能夠借助云端算力和大規(guī)模樣本實現(xiàn)跨車型、跨工況的預警。但其效果高度依賴于數(shù)據(jù)質(zhì)量與規(guī)模,同時在算力開銷、數(shù)據(jù)安全與隱私保護方面仍面臨挑戰(zhàn)。

目前,動力電池熱失控預警方法呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢,且各有利蔽。基于此,多路線融合應用是未來趨勢:在車端部署統(tǒng)計與模型方法進行快速響應,在云端引入數(shù)據(jù)驅(qū)動與知識方法實現(xiàn)長期預測與多車協(xié)同,進而構建覆蓋實驗室、車端與云端的全鏈路預警體系,為動力電池安全提供更系統(tǒng)和持久的保障。


5 工程防護與系統(tǒng)設計:把運行點“拉回安全區(qū)”

在預警手段提供“提前發(fā)現(xiàn)”的同時,工程防護則是最后的物理屏障。只有二者結合,才能真正降低熱失控演化為事故的概率。從工程角度來看,電池系統(tǒng)能否在失效初期避免進入熱失控,關鍵在于其熱管理與結構設計。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,約60%的起火車輛采用自然冷卻方式,而配備液冷、直冷、風冷或車載空調(diào)輔助冷卻的電池系統(tǒng)則顯著降低了事故概率。以液冷系統(tǒng)為例,在多個實驗與實車對比中,其溫度控制能力優(yōu)于自然冷卻系統(tǒng),在極端充放電和環(huán)境高溫工況下可將最高細胞溫度降低約10?20℃,并顯著延緩熱失控起始時間[13],這表明散熱能力的提升是防護設計的核心。在結構優(yōu)化方面,以刀片電池為代表的新一代構型,通過顯著增加電芯表面積、減小單體厚度,從而提高與環(huán)境的換熱效率。與此同時,電池包內(nèi)部的微流道布置使冷卻介質(zhì)能夠均勻流經(jīng)關鍵部位,避免局部過熱。這些手段的共同目標在于提高散熱能力、拉開與臨界溫度的距離,使運行點始終處于熱平衡的穩(wěn)定區(qū)。

同時,隨著動力電池單體容量加大,系統(tǒng)面臨熱擴散與短路電流增大的挑戰(zhàn)。高能量密度單體在失效時釋放的熱量更大,若結構設計未設立熱擴散阻斷邊界或者包殼、模塊間隔設計不合理,則單點失效易導致連鎖反應/級聯(lián)失火。

熱管理與系統(tǒng)設計構成了工程防護的雙重支撐,其核心目標是在物理層面延緩或阻斷熱失控的觸發(fā)條件,進而為監(jiān)測與干預爭取關鍵響應時間窗口。唯有與預警機制形成“前端識別+后端約束”的協(xié)同閉環(huán),才能真正構建起從單體電芯到系統(tǒng)級的多層次安全防線,為新能源汽車大規(guī)模應用提供堅實的技術保障。


6 結論與展望

通過上述梳理可以看出:動力電池安全從來不是某一個單一技術的獨角戲,而是監(jiān)測機制、結構設計、材料優(yōu)化與系統(tǒng)工程的融合。當預警能夠在早期發(fā)現(xiàn)隱患,同時工程設計切實提升熱管理與結構防護,將電池運行點穩(wěn)定在安全區(qū)間內(nèi),那么,發(fā)生熱失控事故的可能性會顯著降低。隨著實驗室技術與道路應用不斷對接,有理由期待,未來的新能源汽車將以續(xù)航與性能為基礎,更以安全與可靠贏得廣泛信任。


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