CAT蓄电池基于液冷大面接触式电池模组的热失控传播抑制与外壳形变实验及模拟研究
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-04-18 10:49:42 点击： 次
图形摘要
采用大接触面液冷构型，可有效抑制电池组内热失控传播。
引言
锂离子电池(LIBs)凭借其高能量密度和长循环寿命[1][2]，已成为现代电动汽车(EVs)的主要动力来源。然而在机械、电气或热滥用条件下，这类电池易发生热失控(TR)——一种快速、不受控的放热反应，可能导致烟雾释放[3]、起火[4]甚至爆炸[5][6]。在碰撞事故中[7][8]，快速引发的热失控往往会触发剧烈火灾，阻碍乘员逃生并造成灾难性后果[9]。过去十五年间，多起重大安全事故严重削弱了公众信心，阻碍了电动汽车的普及。因此，确保电池组本质安全仍是汽车行业面临的关键挑战。
锂离子电池的热失控(TR)涉及热量的快速释放[10]、可燃性燃料费[11]以及含有高温固体颗粒和可燃气态物质的高速热喷射流[12]。这些危害的严重程度与阴极化学性质密切相关[13]。例如，采用磷酸铁锂(LiFePO4或LFP)阴极的电池通常在热失控过程中表现相对温和[14]，主要以烟雾释放为主[15]。相比之下，富镍Li(NixCoyMn(1−x−y))O2NCM（镍钴锰）电池更易发生严重得多的热失控（TR）事件[16]。这类事件会产生超过1000°C的高温，并喷射出高速、高温射流[17][18]，能够直接引燃相邻电芯或击穿电池包外壳。因此，确保NCM体系电池包的安全性需要采用超越传统单一功能防护措施的集成化安全策略[19][20]。 （注：根据学术规范要求，翻译中已处理以下细节： 1. 首次出现"NCM"时补充化学体系全称"镍钴锰" 2. 保留技术缩略语"TR"（热失控）并在首次出现时标注中文 3. 统一"cells"译为"电芯"、"pack"译为"电池包" 4. 温度单位"°C"和引用标号格式[16]等严格保留原样式 5. "integrated safety strategies"采用"集成化安全策略"的规范译法 6. 保持学术文本的客观严谨语气）
当热失控（TR）发生在密集模块中的单个电池内时，阻止其向相邻电池传播至关重要。因此，有效的缓解措施需要一个集成保护方案，该方案需同时解决四个相互依存的功能：(1) 热绝缘 [21], [22]；(2) 电隔离 [23], [24]；(3) 主动或被动冷却 [25]；(4) 受控排气 [26]。.这些要素共同构成一个全面的、多层次的保护策略。任何单一组件的失效都可能危及整个安全系统的完整性。
(1) 隔热措施通常采用高性能屏障材料（如云母或气凝胶）置于电芯大面之间[27]，以抑制传导与辐射传热，从而使相邻电芯维持在热失控触发温度之下并延缓蔓延[28]。(2) 电气隔离在高压电池包（通常为500–800伏）中至关重要，其带电部件之间的间距可能窄至3–50毫米。热失控过程中，失效电芯喷溅的导电碎片可能跨链桥接这些间隙，引发电弧并直接点燃邻近电芯[29]；因此必须建立强效介电隔离层。(3) 直接大面冷却技术通过将冷却流道与方形电芯最大表面热耦合实现，该设计可在正常运行和热失控事件中高效导出热量，缓解局部热积聚。(4) 工程化泄压机制（如压力释放阀）可安全排出电池分解过程中产生的可燃气体，防止因过压导致外壳破裂。有效的系统级热失控蔓延抵抗依赖于上述四项功能的协同整合。
尽管针对抑制热失控蔓延已开展广泛研究，但现有策略大多局限于孤立的安全功能[30][31]——例如增加绝缘层或强化泄压——未能实现真正的系统级整合。此外，许多设计方案缺乏在完整电池包尺度上的严格验证，特别是针对富镍NCM电池在高温射流冲击与动态压力载荷等典型失效工况下的表现[32]。针对现有研究空白[33][34][35]，本研究从系统层面展开对NCM电池组热失控（TR）传播抑制的系统性探究。设计了一种采用大面液冷结构的电池组，重点围绕热传递与排气两大核心问题展开：在热传递方面，考察了大面积液冷板在电池热失控期间抑制热失控传播的效能；在排气方面，探究了热失控气体喷射对上盖结构变形的影响。
本研究针对NCM电池包热失控（TR）这一威胁人身安全的重大工程难题，聚焦两大关键科学问题：(1)大面积液冷板抑制热失控蔓延的隔热机制；(2)电池包上盖在高温高速射流冲击下的变形机理。首先通过两次电池包层级的热失控重复实验，验证了大面积液冷设计方案的安全性。其次，本研究开发了流固耦合（FSI）模型以分析热失控（TR）过程中的传热特性，阐明大面积液冷对热失控传播抑制的影响机制。随后，对高速射流作用下上盖的结构变形进行解耦分析，揭示了泄压过程中温度与压力对变形的交互作用。该研究为高能量密度NCM电池热失控传播抑制策略的优化设计提供了重要理论依据。
