（1）实验原理(限 1000 字以内)

新能源汽车动力电池安全性检测虚拟仿真实验原理主要包括动力电池热失控反应机理、动力电池热失控诱因耦合原理、动力电池针刺短路演变原理、动力电池挤压短路演变原理、动力电池过充生热演变原理、动力电池热扩散演变原理。

动力电池热失控反应机理（Thermal runaway reaction mechanism of powerbattery）

在动力电池发生热失控过程中，从低温到高温排序依次经历：高温容量衰减、SEI 膜分解、负极材料与电解液反应、隔膜融化过程、正极材料分解反应、电解质溶液分解反应、负极与粘结剂反应、电解液燃烧等过程，如图 2 所示。热失控发生时电池正极与负极材料直接接触时反应产生大量热量和氧气，为电解液分解产气提供源源不断的热量，最终形成剧烈的射流明火，反应方程式如下所示。

图 2 锂离子动力电池组分材料的热失控反应机理

三元材料分解产生氧气：

电解液分解产生一氧化碳：

LiPF6 ↔ LiF + PF5

2.5O2  + C3H4O3 (EC) → 3CO2 + 2H2O

6O2  + C5H10O3 (DEC) → 5CO2  + 5H2O

3O2  + C3H6O3 (DMC) → 3CO2 + 3H2O

4O2 + C4H6O3 (PC) → 4CO2  + 3H2O O2 + C3H4O3 (EC) → 3CO + 2H2O 3.5O2  + C5H10O3 (DEC) → 5CO + 5H2O

1.5O2  + C3H6O3 (DMC) → 3CO2 + 3H2O

2O2 + C4H6O3 (PC) → 4CO + 3H2O

动力电池热失控诱因耦合原理（Coupling principle of thermal runaway inducement of power battery）

动力电池热失控主要由于机械滥用、电滥用和热滥用诱发，如图 3 所示，三类滥用诱发热失控存在一定的耦合关系。首先机械滥用导致电池变形，而电池变形会引发内部短路，转变为电滥用过程；电滥用伴随着焦耳热和化学反应热的生成，转变为热滥用过程；热滥用过程造成电池温度持续上升，引发动力电池热失控链式反应，最终导致热失控的发生。

图 3 动力电池热失控诱因耦合原理

动力电池针刺短路演变原理（The evolution principle of acupuncture short circuit of power battery）

模拟动力电池在新能源汽车碰撞时遭遇尖锐物体刺穿导致内部短路的场景； 用直径 5mm~ 8mm 的耐高温钢针以(25±5)mm/s 的速度，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿，贯穿位置靠近所刺面的几何中心，钢针需要停留在蓄电池中超过一分钟，电池应不起火，不爆炸。图 4、5 为动力电池针刺仿真与实验原理。

图 4 动力电池针刺原理

图 5 动力电池针刺实验

动力电池挤压短路演变原理（The evolution principle of power battery squeeze short circuit）

模拟电池在新能源汽车碰撞时发生强力挤压和变形引起内部短路的场景。半径 75mm 的半圆柱体挤压板以(5±1) mm/s 的速度垂直于蓄电池极板方向施压，直到电池电压达到 0V 或变形量达到 30%或挤压力达到 200kN 后停止挤压，电池应不起火，不爆炸。图 6、7 为动力电池挤压仿真与实验原理。

图 6  动力电池挤压原理

图 7 动力电池挤压实验

动力电池过充生热演变原理（The evolution principle of power battery overcharge and heat generation）

模拟电池在新能源汽车充电时发生无法自动断电的故障导致持续过充的场 景；电池以 1C 倍率恒流充电，直至电压上升至充电截止电压的 1.5 倍或在电池达到截止电压之后以 1C 倍率持续充电大于等于 1 小时，电池应不起火，不爆炸。

图 8  电池过充仿真

图 9  电池过充实验

动力电池热扩散演变原理（Principle of thermal diffusion evolution of power batteryn）

模拟电池在新能源汽车某个单体电池发生热失控时热传递诱发整包电池发生热失控的场景；环境温度应在 0℃以上，对于设计为外部充电的电池包或系统， SOC 调至不低于制造商规定的正常 SOC 工作范围的 95%；对于设计为仅通过车辆能源进行充电的电池包或系统，SOC 调至不低于制造商工作范围的 90%；在电池包或系统中放置一个发热片或加热丝对电池加热，发热片或加热丝的发热功率为 500~2000 瓦，持续加热并记录电池包或系统发生热失控的时间，要求 5 分钟之后发生热失控。

图 10  电池热扩散演变过程

本实验主要知识点：共 6 个。

1） 学习动力电池基础知识，包括动力电池分类、结构、物理与电化学特性、安全性能测试标准与评价方法等。

2） 学习动力电池单体、电池模组、电池包热扩散实验流程与方法，分析热扩散演化路径、热失控发展过程，重构热扩散实验温场。

3） 学习动力电池单体、电池模组、电池包针刺实验流程与方法，分析针刺实验热传递演化路径、热失控发展过程，重构针刺实验动态热扩散温场。

4） 学习动力电池单体、电池模组、电池包挤压实验流程与方法，分析挤压实验热传递演化路径、热失控发展过程，重构挤压实验动态热扩散温场。

5） 学习动力电池单体、电池模组、电池包过充实验流程与方法，分析过充实验热传递演化路径、热失控发展过程，重构过充实验动态热扩散温场。

6） 学习动力电池单体、电池模组、电池包过放实验流程与方法，分析过放实验热传递演化路径、热失控发展过程，重构过放实验动态热扩散温场。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限 500 字以内）

核心要素仿真设计包括：数字化动力电池仿真和不同实验过程（如针刺、挤压和过充）引发的电池热扩散仿真与温度场重构。

1. 数字化动力电池仿真：根据电化学模型建立能够反应电池电化学机理的数字化动力电池，该电池除了与实际电池具有相同的几何结构、重量、容量、能量

密度、内阻、电压等外特性，还能够反应电池内部及电池与电池之间传热特性。

图 11  电池化学反应机理

图 12  动力电池仿真

2. 动力电池热扩散仿真：不同安全实验方法最终均引起动力电池异常持续产热、温度升高，甚至发生热失控，导致起火、爆炸，但在电池热失控之前还发生局部高温、热扩散、电池材料分解、热蔓延等链式反应过程，最终发展为热失控， 图 13 显示不同电池材料的分解温度和放热焓变。

图 13 不同电池材料的分解温度

动力电池热扩散过程的温度场能够被重构，下图为一款方形电池在针刺条件下和一款电池包在挤压条件下发生的电池热扩散和最终恢复到室温的过程。动力电池安全测试虚拟仿真平台能够高精度仿真电池在热失控之前的热扩散过程并采集电池实时仿真数据、出具电池安全实验报告。电池安全实验仿真能够以安全、低成本的方式在优化电池生产过程、改进电池包成组方式和电池包散热系统设计等方面提供重要指导意义。

图 14  方形电池热扩散温场重构

图 15 电池包挤压条件下温度场重构