首页/文章/ 详情

如何定量评估热失控发生几率?如何用慢速针刺评估热失控发生临界缺陷尺度?

26天前浏览268
电动汽车有时会发生起火-热失控-蔓延现象,热蔓延源于热失控(Thermal runaway),而热失控可能来自比较直接快速的外界诱因(比如过充、碰撞、重度托底),这些都可以算做滥用场景触发。但其实热失控更多来自自触发 情景 (Self triggered thermal runaway, STR),这才是电动汽车实际使用服役中的大部分热失控事件的本质(并没有直接的剧烈诱因,常常是放那里突然就开始了。
既然外部剧烈触发没有,那自触发热失控STR的核心诱因自然也就是我们一直所知道的:它是由内短路(Internal short circuit,ISC)触发的。而在这个方面,其发生就会具有相当的随机性/难预测性了——可能来自没能检测出的生产缺陷,局部控制不好的析锂等,或者是因为环境使用多方面因素叠加,导致的缺陷逐渐长大抵达临界尺寸等多种因素,想要把它非常清楚定量的研究明白是有些难度的。这也是一直困扰业内的一个核心点,即很多热失控事件发生前的预兆非常难以捕捉,无奈之下只好给先一刀切定性为一部分可预测,剩下的就只能叫“猝死”。
但是对于这个临界缺陷尺寸和热失控发生概率,我们不应该因此就放弃对它的研究,要努力尽量去迫近事情的本质,并找出相应的解决思路。而今天我们就可以看看,这次理想汽车和中科院物理所的合作研究,对这个问题的分析是怎样的。

研究热失控发生概率有两个主要指标

P1: 电池包发生内短路ISC 的概率 。这个他们是用云数据来估计的。他们分析了150,000个电池包,做了脱敏处理,然后找出静置起码2h以上之后的电压数据,这样可以比较好地识别出因为ISC导致自放电现象(压降),用于估计P1。
P2: 针 刺实验刺入深度vs发生TR概率, 这可以用于估计ISC后发生热失控TR的概率。他们对比了2mm/s和 0.1mm/s的刺入速度(这比我们一般做针 刺时的25-40mm/s要慢好多),这样可以帮我们来鉴定找出临界针入深度CPD (Critical penetration depth),否则扎太快了就没法发现了。然后他们做了不同的SOC荷电状态和健康状态SOH下的样品的慢刺实验,来看是不是这些状态的电芯对应的CPD是不同的。
最后,全生命周期中,在不同SOH/SOC态的电池包发生TR的概率就是P(TR)=P1*P2。当然这是最原始版本,而考虑到P1、P2都受ISC的严重度影响,并不是一个固定值,所以要进一步修正(大概考虑了多层并联模型等因素,包括还有Weibull模数等的使用在可靠性方面计算修正,在这我就不展开了,给大家介绍主要的思路),最后下图里这个升级版的等式2就是最后的热失控发生概率的计算方法。

先看P2:慢速针 刺找出的热失控触发临界缺陷尺寸是?

从下面的图1不难看出,相比图中上面的相对更快针 刺2mm/s,下面的0.1mm/s的慢刺,整体的数据分散程度要更小规律更好找,比如热失控都在80~120s左右发生,临界针 刺深度CPD基本都是7.5~10mm,而且从最右的h图也可以看出,P2数据分布也明显要更为集中(曲线更竖),说明这样的临界深度(模拟缺陷大小?)就是一个我们找到触发热失控的临界条件。
然后,这篇文章进一步研究了不同SOC/SOH的影响,看P2曲线的研究方法是不是适用度更广,如下图所示。
A图: 95%SOH最健康,然后从红->黄SOC电量在下降,可以看出,电量越高,临界深度越小,也就是对于缺陷越敏感。100%SOC的临界值似乎只有7.5mm左右 ,而70%SOC有近15mm。
B图,85%SOH健康度比A要下降一些,结论和上面类似,当然此时所有的临界值都下移了,100%SOC临界值只有6mm左右了。所以健康度越低,导致发生热失控的缺陷临界值越小。
C图,健康度更低,到了75%,数据整体进一步下移,最低临界值只有5mm,符合我们对这个问题的理解。
所以在这也简评一下:行业里其实研究热失控机理,做慢浅刺(IEC针 刺)是非常常见的方法,而它的好处其实也在上面已经介绍分析+实例证明了。快刺根本无法捕捉临界尺寸的信息,而且实验的偶发性/重复性实在是非常麻烦。
展示针 刺看个热闹让老百姓impressive是可以,但你要是业内的人士,天天就针 刺长针 刺短针 刺个没完没了,大家肯定会用迷茫的眼神看着你。

针 刺试验结果偶发问题大,常常不可重复,图摘自本人25年9月发表的文章《为什么纠结于电池能否过针 刺意义不大(2)


再看P1,实地数据从压降数据得来?

然后再算P1,步骤是:从云数据的150000个包的数据,得到每个包的最大最小电芯电压差delta V1,过一阵后再算delta V2,最后算这段时间的变化率。(Delta V2 -Delta V1) / t,得到变化率mV/h的分布概率 ,如图3C所示。
在这里,他们选了0.02mV/h作为筛选阈值——太小的自然就不用看了,说明没有短路。在我理解,这里的数据说明的应该是对于缺陷的容忍能力:最上面的橙色数据(高健康度),存在的高压降的数据更多,而最下面的数据基本都向最左收敛靠拢了。而随着使用,高压降的包肯定会被监测到,要么被主动剔除服役,要么可能就出现了事故,而能坚持到生命末期的,肯定是相对来说缺陷少点的,短路发展相对缓慢的,这是一种“幸存者筛选“。

更进一步的:慢刺-电芯多层并联模型的仿真是怎么做的?

众所周知,电芯中是一片片极片实际上(靠多个极耳焊在一起)并联的(尤其是叠片最典型),那我们就可以来模拟多层极片在一层层慢刺后的行为。如下图所示极耳内阻Rtab和内阻Rin可以通过HPPC/计算得到。然后刺穿带来的ISC内阻Rs,与原本在的每一个子电芯单元-Rin回路并联。
更进一步的,把以上的所有结果统筹在一起(P1*P2),看P(TR),可以看出,下图B中,高SOC意味着更高的P(TR),进一步的做成一张图的话,下图C可以给我们一个更直观的感受。而且最右边的80~70%SOH图中,可以看出P(TR)热失控的发生概率的增加明显要比前两个情景要高很多,这主要是因为低SOH时电芯的各种缺陷会明显增多,P(1)会明显增加,而且此时对于临界缺陷的容忍性也会变低,P(2)也会变大,两者一乘,整体热失控概率大为提升就不足为奇了,所以此时的概率上升不只是线性的,可能是线性平方?
所以,他们搭建了基于多层极片的内短路模型,再通过慢速针 刺来验证&为该模型提供数据,发现这样得到的P2失效概率是PPM级,这也与目前工业界对于STR发生概率的认知基本一致。再引入可靠性模型,得到P1概率。最后就可以算出整体的P(TR)热失控发生概率。

小结

其实我觉得这篇文章带来的结论并不算太特别:高SOH,低SOC,可以带来对于临界缺陷尺寸更好的容忍度。
但是我觉得这篇文章的最大意义在于,它给了我们一个完整的逻辑框架:如何去定量分析热失控的概率问题?如何把临界缺陷尺寸通过合理的实验方法找出?实际车辆中的临界内短路发生概率为何?虽然所有模型都得一步步建立 ,一步步修正,总会有一些地方还需要再完善,但是这篇文章提供的整体框架我认为已经相当棒了。
作者也很中肯,也在文章中提醒了一些注意事项。
  1. 传统的针 刺研究是有很多问题的:随机性差,可重复性不怎么好,像针的材质、针尖角度、直径、刺入速度都会有明显影响。如果把这些因素搞明白了,重复性会好点——仍然是在提醒浅/慢刺试验的意义(储能强制国标44240就只要求过浅刺)。
  2. 这篇文章的内容对于NCM适用,而LFP的电压曲线太平,电压检测更困难,这应该是一个新的挑战,或者说也会是下一个值得研究的重点。
  3. 另外圆柱,或者其它的方形软包内并联模组,它们不可避免的存在互相充放电平衡的类均衡效应,也是个问题(你就很难第一时间发现内短路的端倪了)。所以从这个方面是不是也意味着,方形和软包做这种多并,先天就不是一个好的选择(圆柱你是没办法不可能不并)?毕竟哪怕全串系统,系统里的均衡也会起作用,这先天就会压低一部分P1检测出的概率。
  4. 作者也说,这篇文章的多层极片模型只考虑了正负极材料之间的短路,没考虑集流体短接机理,它们认为这个是太激烈的反应(这种太剧烈可能快速就着了?云数据记录不了?)。该模型只考虑了纯电学,没考虑更复杂的电化学和热机制——我倒是觉得,如果后面有可能把这些机理都考虑进去,模型会更严谨(当然也更复杂)。


来源:弗雷刘
碰撞化学汽车UG材料储能控制试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2026-07-30
最近编辑:26天前
弗雷刘
博士 动力电池 新能源行业科普
获赞 2粉丝 6文章 143课程 0
点赞
收藏
作者推荐

电池的能量密度,真的已经不重要了吗?

最近几年来,随着电池技术的不断发展,磷酸铁锂电池的质量和体积能量密度在不断提高,快充能力也提升迅速。今年推出了好几款现象级产品,100度甚至更高的电量加上很极致的快充性能,的确从指标上看起来已经是非常强势的领先产品了。但是,是不是只有好处,没有代价呢?其实你仔细看一下很多真的摸过车体验过的朋友的,他们很多人会给出一个反馈,就是这些车里有不少车内空间不佳,有坐小板凳的感觉,要么就是顶头,总之就是Z向空间表现不好。那到底是为什么呢?不是有些人天天喊着“磷酸铁锂,天下第一”吗,怎么还有问题呢?咱们今天好好聊聊。1.磷酸铁锂电池能量密度提升明显,但是比三元仍然有差距目前行业的磷酸铁锂电池一般高性能的(不考虑补锂,更不考虑可能掺硅的这种“邪修”)可以做到190Wh/kg,430~440Wh/l左右——这个参数很优秀,但是还是不要忘了三元现在电芯高的可以做到270Wh/kg,660Wh/l左右,即使算上磷酸铁锂做CTP有优势,三元电池系统能量密度再低也比磷酸铁锂能量密度高。很多人喜欢举一个例子:新仰望U7的150度电,系统能量密度160Wh/kg,比上一代小米Su7 Max三元的150Wh/kg还高,这是不是说明三元不行了?但是在这咱们得仔细看看了:1)电量越大,系统内不提供能量的部分占比肯定越低,大电量电池算能量密度时必然占便宜,对我指的就是这150度电的U7;2)U7电池不一般,大概率不是你一般理解的磷酸铁锂,它把电池也是在往贵了造,那也不能拿三元中平价的体系对比;3)Su7 Max三元电池也不太一般,他是极致考虑Z向空间优化+大电池体积设计+CTB(上盖上安装座椅)+甚至一部分降本考虑结果的产物,并没有把追求能量密度放在第一位;4)CTP上,磷酸铁锂是有优势,但是三元的集成也不差,即使是有新国标的更严格安全要求,大家一样可以看见很多新的能量密度更高&安全性能也不含糊的的三元电池产品(下表)。因此目前不管是看质量还是体积能量密度,最终仍然是用三元可以达成更轻的重量,更好的体积以及更优的能量&功率性能发挥的综合平衡达成。新一代的三元电池系统的车型和电池信息,摘自2026年4月最新发布的《减免车辆购置税的新能源汽车车型目录(第二十九批)》通用名称产品名称纯电动续驶里程(km)整车整备质量(kg)动力蓄电池组总质量(kg)动力蓄电池组总能量(kWh)电池组能量密度(Wh/kg)尚界Z7 ULTRA纯电动轿车791/7272300/2315518100.2193.4问界M9EV纯电动多用途乘用车750/715/7022945/3030/3105628120.0191.1009纯电动多用途乘用车7202910643±19115.0178.82.整车越做越大,电量越来越大,空间却越来越小,谁的锅?恐怕还真 主要是磷酸铁锂的锅。针对这个问题,在红眼平台上有人讨论,有不少人的观点是:不同一款车,不可能为两个化学体系的电池开两套模,那电池占空小,不能赖磷酸铁锂。而实际上的情况如何呢?如果一辆车兼容铁锂和三元,那它一定会用他的铁锂低/铁锂中配中那个电量最大的版本的电池要求,来要求电池包占用尺寸并指导整车开发。还是可以以小米Su7老版为例,中配铁锂版Pro 94.3度,看似电量和101度的Max差不多,结果你往下看:标准版铁锂只装70多度电,空间空出来一大块,被我们戏称为藏私房钱设计;而三元Max版本做了拆解分析后你会发现它能量密度也不极致,快充也只是均衡设计,那就明显只是为了降本了——如果小米真是想追求更大电量,这电池搞到110度轻轻松松。所以你们发现没有:SU7这车尺寸不小,电池包尺寸也不小,SU7的低和高配都明显是有多装点电的潜力却没发挥,那只有一个解释了,就是为了中配磷酸铁锂的大电量,把低和高配都做了牺牲。所以你看,是不是这个电量的选取,为了磷酸铁锂,做了空间上的最大迁就?对于底盘已经有所调整了,有些企业进一步因此把乘坐空间也给妥协了,这还奇怪吗?老Su7标准板,电池包中有一部分是空的,没有装电芯至于只做磷酸铁锂的企业/产品,你可以去体验一下大电池车型的车内空间后再来讨论。3.所以我们应该怎么造车?以用户体验为中心?电池为中心,还是以传统思路造车?这两年中国市场的造车理念还是有些变化/发展的,其中一个代表性的方向,就是各种大六座/大增程的出现,然后各种5米2车/3吨车越来越多,其实这也是为了客户们的需求:大车/有面/增程没焦虑/纯电不够就加电池,按这个逻辑演化来的——放眼全球,可能目前主要是中国市场在这么玩。车当然不见得是越大越好,相信很多朋友其实是知道这一点的。但是无论如何,这的确是当下用户体验需求导向下的产品设计产物。那如果回头再看看其它尤其是国际老牌企业,又有一种范式:比如多年前,很多车企的车就是利用燃油车平台,为了省一部分共用成本,油改电后做出的电池包的形状各种怪,为了去跟传动轴/油箱去做一个适配,能塞入底盘,这是一种偏传统思路。即使到了新能源时代,开发了纯电专用平台,结果整车的设计理念还是老一套,比如整车/底盘部门仍占据绝对强势(或者你也可以理解为懒惰)地位,比如对于轴距的过度不灵活,导致了电池有效空间分配不足,只能逼着上高能量密度体系,结果你再如果想降本就开始抓瞎了,因为边界已经锁死了,实在难以做到。在这里,他基本继承传统车的所有设计理念,对于新事物的需求过于压制(电池事实上就是需要占更大空间),这直接导致了电池体积做不大,性能提不了,快充起不来;但这样的理念是不是全是缺点呢?倒也不尽然,起码以前设计车上很多坚持/理念还能完整的继承过来,比如乘坐空间,底盘调 教这些等等。然后再一种就是这种比较新思路造车了,完全以三电为中心造车,整车架构平台化,可以和三电配合扩大缩小,适配不同Segment车的需求。其实总体来说,我认为这肯定是技术上的正确方向——三电就是新时代的核心,它们的布置需求和逻辑与内燃机不同,那应该给他们更多的倾斜。但是,如果你过度为了三电的参数往这倾斜,完全不管传统造车的理念(里面不可能全是错误吧?),走向了另一个极端呢?就是说:我电池是中心,使劲造大了完事,什么车重啊,空间小啊,不是事——一切以我电池这个最重最大的东西为中心。这就有可能造出本文一开始说的这种车。哎,车是用来拉人的,不是用来拉电池的。前几天发布的FREELANDER的iMAX三电架构,明显就具有可拓展性,可以适合宽范围整车轴距,就是以三电为核心来造车的理念的一个最新体现(这里只是举例,没有任何意思说该三电架构车型车内乘坐空间小)4.能量密度,是不是就真的不重要了?电池的能量密度,落在乘用车上,主要有两个指标,一个是质量能量密度Wh/kg,一个是体积能量密度Wh/kg,通俗地说,一个对应电池“重量轻”,一个对应电池“体积小”。先说重量轻,在这几年,对于质量能量密度的看重的确有所削弱,与此同时,随着大车大电量的风潮兴起,车也越来越重,甚至有的大V喊出了“车重是优点”的奇葩观点。什么时候开始,汽车轻量化这种方向都需要再拿出来要去讨论要去再强调了呢?在保证安全标准的前提下,汽车就是要追求更轻的。诚然这几年因为安全上的争议,以及暂时对于车重要求的不重视,以及大家拼命追求低成本化的竞争,导致了质量能量密度这几年相对不太受重视——但是这会是一直下去的事么?起码业内已经有了说法,几年后有可能出台与车重相关的政策,对于更轻的车会有倾斜照顾。无论行业怎么发展,我们都希望可以在各方面达标的前提下,用更少的重量搭载更多的能量,这意味着我们可以跑得更远没有里程焦虑,意味着整车车身设计负担更轻,意味着刹车轮胎等磨损更小安全更有保障,另外它也意味着整车的操控会更好。而如果要做到这些,都需要更高的能量密度。按理说,车应该更轻一些这事都不应该有什么讨论的空间,但是这两年车圈的舆论方向的确有时比较一言难尽。再说体积小。尤其是对于乘用车来说,“轻”肯定很重要,“小”更为关键,因为毕竟乘用车尤其是轿车,是不能造得太高的,高了以后造型方面会是灾难,难看了就卖不出去。而车又要坐人,如果一进去就顶头大部分人是不高兴的,除非你这车就是小众跑车之类的定位。因此,电池不能占用太大的体积,尤其是高度Z向上——那把电池做小一点,就一直是很有需求的,这才是能量密度要求的真实逻辑的常被大家忽视的另一半。而且如果体积小,就更容易放在整车内部区域,这样比起暴露于外,在受碰撞时安全系数和相应需要做的防护也会要好很多。所以大家看出来没,能量密度就是刚需,能量密度的追求一直是很重要的。总结:能量密度是技术皇冠,能量密度是国之希望实际上,不论是磷酸铁锂还是三元电池,大家在这里不应该是敌人,而应该是朋友关系。它们其实在过去几年中,都在不断突破自我,在安全、快充和能量密度方面不断进步。而实际上,把能量密度做到更高,其实都意味着技术上的更大挑战,比如磷酸铁锂上的第四代甚至第五代,以及正极补锂技术,电解液优化,甚至我听说还有配硅负极的;而对于三元,不管是九系高镍,六到七系中镍的更高电压化,还是一些听说在研究的其它技术,都在稳步发展,把能量密度不断推上新的台阶。实际上,磷酸铁锂这几年的大发展,恰恰就是因为高压实技术带来的体积比能量的提升,这反而实际上再次说明了能量密度提升的重要性,而这也是优秀企业技术水平的最好证明。而三元体系具有更高的本征体积&能量密度,以及更大的性能提升空间,更应该受到发展方面的重视。实际上过去的几年,中国的电池化学体系竞争中体现的格局更多的是:磷酸铁锂相对“好做”(毕竟工艺环境控制要求低)而且便宜(这个不用多解释),而三元技术对于环境的管控要求、使用起来的精细控制那可不是高了一点半点,所以越来越多的企业是因为自己做不明白/做不好三元而逐渐放弃了这条路线。但是对于能量密度的追求是永远不应该被忽略的,而把磷酸铁锂硬做成大电池,遇到的一系列问题和挑战其实都如本文之前所述,已经开始逐渐显现。而从现在的技术发展格局上来看,三元电池单体做到260~280Wh/kg,系统做到近200Wh/kg,都是技术上极致竞争力的体现,能做的这样高性能技术的企业凤毛麟角,这些产品也助力着相应的高端车型不断成长。而更进一步地说,固态电池更其实是大家对于安全和能量密度共同期待的一个理论上的“终级解决方案”——大家需要有一块轻的电池,轻松装车后就可以跑1000km;大家需要有一块小的电池,在车上很容易布置,放上以后出行的焦虑就没有了。这需要使用三元、硅、固态电解质等先进材料,对技术考验极高,而且系统集成涉及到了多学科多维度的知识,更不是一般技术路线单一的小企业能够玩的明白的技术。摘自《节能与新能源汽车技术路线图3.0》因此,高能量密度是更难做的事,是更有技术门槛的事,而且本来能量密度就应该是最重要的电池性能维度之一。所以这些年来,各种上面制定的技术路线图中,固态电池、高比能技术一直在里面被定义为最为重要的未来发展方向。因此在电池技术发展到2026年的今天,我们有必要重新审视一下对于能量密度问题的理解,再次注意和重视开发先进尖端技术的意义。不管是三元和铁锂甚至是固态,都有自己的高性能版本,都比起自己体系中的中低端版本的技术门槛更高,因此我们应该更好的鼓励高KPI,尤其是高能量密度技术的发展,让中国电池技术可以在各条赛道上都领先于世界。希望明天,会有更多更好的高能量密度电池技术的推出。让我们拭目以待吧。来源:弗雷刘

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈