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      熱失控，是指蓄電池電流和內(nèi)部溫升發(fā)生一種累積的互相增強的作用而導(dǎo)致蓄電池損壞的現(xiàn)象。狹義的熱失控，其主體指的是單體電芯；廣義的熱失控，其主體指的是PACK。
      引起動力鋰電池?zé)崾Э氐囊蛩刂饕型獠慷搪?、外部高溫和?nèi)部短路。

       外部短路：實際車輛運行中發(fā)生危險的概率極低，一是整車系統(tǒng)裝配有熔斷絲和電池管理系統(tǒng)BMS，二是電池能承受短時間的大電流沖擊。極限情況下，短路點越過整車熔斷器，同時BMS失效，較長時間的外部短路一般會導(dǎo)致電路中的連接薄弱點燒毀，很少導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控事件?，F(xiàn)在，比較多的PACK企業(yè)采用了回路中加裝熔斷絲的做法，更能有效的避免外短路引發(fā)的危害。

       外部高溫：由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特性，高溫下SEI膜、電解液、EC等會發(fā)生分解反應(yīng)，電解液的分解物還會與正極、負極發(fā)生反應(yīng)，電芯隔膜將融化分解，多種反應(yīng)導(dǎo)致大量熱量的產(chǎn)生。隔膜融化導(dǎo)致內(nèi)部短路，電能量的釋放又增大了熱量的生產(chǎn)。這種累積的互相增強的破壞作用，其后果是導(dǎo)致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，發(fā)生燃燒起火。

值得注意的是，三元系電池相比磷酸鐵鋰電池，正極材料易發(fā)生分解反應(yīng)，釋氧。更加快速的發(fā)生熱失控。以鈷酸鋰為例（如下），達到一定溫度時，正極瞬時分解釋氧，氧氣與溶劑發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體和熱量，導(dǎo)致快速發(fā)生熱失控，極易燃燒。
       

SEI膜的分解反應(yīng)(～100℃)：(CH2OCO2Li) 2 → Li2CO3 + C2H4↑+ CO2↑+ 1/2O2↑
       電液的分解反應(yīng)(～150℃)：LiPF6 → LiF + PF5(Lewis酸)
       C4H8O3 (EMC) + PF5 → C2H5OCOOPF4 + HF + C2H4↑
       C4H8O3 (EMC) + PF5 → C2H5OCOOPF4 + C2H5F ↑
       2C2H5OCOOPF4 → 2PF3O+ HF+ C2H5F ↑ + 2CO2↑+ C3H6↑
       LiPF6很不穩(wěn)定，在加熱或較高溫度下就會分解。而PF5是呈強Lewis酸的高活性物質(zhì)，其能使碳酸酯類溶劑熱穩(wěn)定性降低，并與之反應(yīng)，在分解的氣體產(chǎn)物中，CH3CH2F是該反應(yīng)的特征產(chǎn)物。
        Li0.5CoO2的分解反應(yīng)(～180℃)
        Li0.5CoO2 → 1/2LiCoO2 + 1/6Co3O4 + 1/6O2↑
        Co3O4 → 3 CoO+ 1/2 O2↑
        電液的氧化反應(yīng)(～180℃)
        5/2O2+C3H4O3 (EC) → 3CO2↑+2H2O ↑
        4O2+C4H6O3 (PC) → 4CO2↑+ 3H2O ↑
        9/2O2+C4H8O3 (EMC) → 4CO2↑+ 4H2O↑
        總氧化反應(yīng)(以EC為例)
        Li0.5CoO2 +1/10C3H4O3 (EC) → 1/2LiCoO2 +1/2CoO+3/10 CO2↑+1/5H2O ↑
        結(jié)論：O2與溶劑發(fā)生氧化反應(yīng)是大量氣體的重要來源，同時也是熱量的重要來源。
磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)帶來的是高溫穩(wěn)定性。在熱失控的化學(xué)反應(yīng)中，在電解液噴出前大量發(fā)生的是分解反應(yīng)，而非氧化反應(yīng)，產(chǎn)氣較少且慢，這正是磷酸鐵鋰相對安全的原理。磷酸鐵鋰相對安全，但并不意味著磷酸鐵鋰不發(fā)生熱失控，不發(fā)生燃燒，近期的電動客車燃燒事故充分證明了這點。磷酸鐵鋰燃燒的主要原因是，熱失控導(dǎo)致防爆膜破裂，繼而電解液噴出。在此時高溫的環(huán)境中，快速達到電解液的燃點，電解液燃燒，繼而引燃電芯包裹材料等其他可燃物，進而加劇熱量的散發(fā)，導(dǎo)致其他電芯發(fā)生熱失控連鎖反應(yīng)。錳酸鋰的尖晶石結(jié)構(gòu)具有同樣的穩(wěn)定性，也屬于相對安全的正極材料。
       
        內(nèi)部短路：由于電池的濫用，如過充過放導(dǎo)致的支晶、電池生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)灰塵等，將惡化生長刺穿隔膜，產(chǎn)生微短路，電能量的釋放導(dǎo)致溫升，溫升帶來的材料化學(xué)反應(yīng)又擴大了短路路徑，形成了更大的短路電流。形成了累積的互相增強的破壞，導(dǎo)致熱失控。下面以鈷酸鋰電芯為例，簡述一個典型熱失控的過程。

        A：準備階段，電池處于滿電狀態(tài)；
        B：內(nèi)短路發(fā)生，大電流通過短路點，而產(chǎn)生熱量，并通過LiC6熱擴散，達到SEI膜分解溫度，SEI膜開始分解，放出少量CO2和C2H4 ，殼體輕微鼓脹，隨著短路位置的不斷放電，電池溫度的不斷上升，電液中鏈狀溶劑開始分解、LiC6與電液也開始反應(yīng)放熱，伴隨著C2H5F 、C3H6和C3H8產(chǎn)生，但反應(yīng)較慢，放熱量均較??；（此過程用時約2秒）
        C：隨著放電的進行，短路位置溫度繼續(xù)升高，隔膜局部收縮熔化，短路位置擴大，溫度進一步升高，當(dāng)內(nèi)部溫度達到Li0.5CoO2的分解溫度時，正極瞬時分解，并釋放O2，后者與電液瞬間反應(yīng)，放出大量熱量，同時放出大量CO2氣體，造成電池內(nèi)壓增大，如果壓力足夠大，沖破電池殼體——電池爆炸；（此過程用時約1秒）
        D：如殼體炸開，極片散落，溫度不會繼續(xù)升高，反應(yīng)終止；但如殼體只開裂，極片沒有散落，這時LiC6繼續(xù)與電液反應(yīng)，溫度會繼續(xù)升高，但升溫速率下降，由于反應(yīng)速率較慢，所以可以維持較長時間；（此過程用時約8秒）
        E：當(dāng)電池內(nèi)部反應(yīng)的產(chǎn)熱速率小于散熱速率時，電池開始降溫，直至內(nèi)部反應(yīng)完畢。

      需要說明的是，大多數(shù)電池火災(zāi)，首先是內(nèi)短路引發(fā)的，其熱量和溫度對相鄰電池形成了“外部高溫環(huán)境”，引發(fā)相鄰電池?zé)崾Э?，?dǎo)致整個PACK的連鎖反應(yīng)。

單電池內(nèi)部短路溫度分布

單電池內(nèi)部短路電離密度分布

   概述      

隨著資源的日益匱乏和人們環(huán)保意識的普遍提高,新能源汽車的開發(fā)越來越受到重視。新能源汽車的核心技術(shù)是電機、電池和電控三大塊。其中,在電機驅(qū)動方面,永磁同步輪轂電機以其高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度的特性在新能源汽車領(lǐng)域擁有很大的研究和發(fā)展前景。然而受安裝空間及工作環(huán)境的限制散熱條件卻較差，發(fā)熱與散熱是輪轂電機必須面臨的兩大難題。

輪轂電機定義

傳統(tǒng)電動汽車的傳動方案是把電機的輸出扭矩通過變速器和差速器等傳遞到車輪。

傳統(tǒng)電動汽車傳動方案

輪轂電機的技術(shù)就是將電機裝在輪轂內(nèi)，不經(jīng)過任何機械結(jié)構(gòu)的傳遞，直接驅(qū)動車輪。就是這么簡單粗暴！

輪轂電機爆炸圖

輪轂電機優(yōu)點

輪轂電機通過把電機集成在輪轂內(nèi)，高度集成化，具有以下優(yōu)點：

• 高效率

傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，每一級傳動都有傳動效率的損失，總體傳動效率的損失還是很大的。而輪轂電機直接驅(qū)動車輪，避免了傳遞路徑上效率的損失，可以提升效率，節(jié)省能量。數(shù)據(jù)顯示，相對于傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)來說，輪轂電機可以提高8%~15%左右的效率。

對于電動汽車來說，效率的提升可以進一步增加續(xù)航里程?；蛘弑３掷m(xù)航里程不變，電池么，就做小一點。另外，雖然輪轂電機比普通輪轂要重不少，但是對整車來說，還是減重很多的。對于電動汽車來說，減重意味著續(xù)航能力的增加，就可以把電池做的再小一點了。

• 空間布置

由于高度集成化，省去了中間一大坨傳動機構(gòu)，可以節(jié)省前艙的布置空間，以及四驅(qū)車輛的后排座椅的凸起，乘客可以享受更大的車內(nèi)空間。上面那一坨變速箱就不需要了，前艙秒變行李艙不是夢。后驅(qū)車后地板上的“迷之突起”消失，啪啪啪更方便。

• 方便控制

由于電機直接驅(qū)動車輪，MCU（電機控制器）只需要一個簡單的指令就可以直接控制車輪的轉(zhuǎn)速和扭矩（而且精度非常高），可以很容易的實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制。比如可以通過左右輪不同轉(zhuǎn)速甚至反向旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)差動轉(zhuǎn)向，可以大大減小車輛的轉(zhuǎn)向半徑，甚至可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向（不過對輪胎的磨損比較大）。另外，對于裝備有四輪輪轂電機的車輛，可以更容易實現(xiàn)更高水平的制動能量回收利用率。理論上，如果輪轂電機扭矩足夠大，可以回收100%制動能量，只是受限于電池組的充電功率。

• 成本

理論上，由于節(jié)省了復(fù)雜的傳動機構(gòu)，機構(gòu)更簡單，零件更少，整車成本會下降。但是目前由于輪轂電機產(chǎn)業(yè)化還遠遠不夠，而且技術(shù)被少數(shù)公司壟斷，輪轂電機成本還居高不下。不過隨著輪轂電機前景被各大車企看好，一步步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，這部分優(yōu)勢會逐漸體現(xiàn)出來。

• 模塊化

由于輪轂電機的高集成度，輪轂電機理論上只與車輪大小有關(guān)，所以更容易模塊化，避免重復(fù)開發(fā)，可以縮短新車型的開發(fā)周期和開發(fā)費用。

輪轂電機的缺點和挑戰(zhàn)

輪轂電機也存在一些缺點，遇到一些挑戰(zhàn)。

• 簧下質(zhì)量增加

簧下質(zhì)量的增加對操控性能的影響，主要體現(xiàn)在：

顛簸路況時懸架的響應(yīng)會變慢

輪轂轉(zhuǎn)量增加使加速響應(yīng)慢

對于第1點，普通家用轎車不太敏感，對于更高級別的車輛，可以通過優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)來改善。至于說的第2點，電機本身的低轉(zhuǎn)高扭特性可以彌補這一點。

• 防震防水防塵的挑戰(zhàn)

由于電機內(nèi)置在輪轂里，工作環(huán)境要惡劣的多，而電機本身比較嬌貴，所以對于防水防塵防震設(shè)計要求就很高。

• 冷卻/散熱的挑戰(zhàn)

之所以要散熱，一是因為本身電機工作會產(chǎn)生熱量，二是機械制動時會產(chǎn)生大量熱量。

輪輞造型對風(fēng)阻系數(shù)影響示意圖

一般車輛的輪輞考慮散熱，輪輻之間空擋較大（見下圖）。

普通車輪的輪輞造型

BMW i3輪輞造型

奔馳IAA概念車輪輞造型

由于輪轂電機具有高效率，高集成度的優(yōu)點，與新能源汽車十分契合，在新能源汽車領(lǐng)域有非常好的發(fā)展前景。不過，由于輪轂電機增加了簧下質(zhì)量，會影響車輛的操控性能，此外，還有很多防水防塵防震和散熱的挑戰(zhàn)需要克服。

總之，由于輪轂電機還沒有大規(guī)模量產(chǎn)，成本居高不下，推廣普及還需要一定時間。對于傳統(tǒng)車企來說，一直以來的傳統(tǒng)是，傳動歸傳動，驅(qū)動歸驅(qū)動，底盤歸底盤，分屬不同的部分，涇渭分明。一旦普及，傳動系統(tǒng)將取消，驅(qū)動和底盤將深度融合在一起，對于傳統(tǒng)車企的組織架構(gòu)是一個非常大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)車企想要推動這個變革，其決心不亞于壯士斷腕。

面對多變的世界，悠久的歷史和龐大的規(guī)模對于傳統(tǒng)車企來說，是一個負擔(dān)。是時候擺脫束縛、輕裝上陣了。

案例

三維溫度場仿真的目的是盡可能準確地對電機不同運行狀態(tài)下的溫升情況進行預(yù)測，然后根據(jù)仿真結(jié)果反過來對電機設(shè)計進行指導(dǎo)。需要強調(diào)的是溫度場精確求解與很多因素有關(guān)，其中比較重要的環(huán)節(jié)包括仿真模型求解域選擇、邊界條件設(shè)置、數(shù)值計算模型確定、材料屬性設(shè)置、熱源加載等。

仿真模型確定 

輪轂電機溫度場采用 ANSYS WORKBENCH 的溫度場模塊進行求解分析，結(jié)果的好壞與建立的仿真模型密切相關(guān)，一個好的模型從選取求解域及計算模

型到設(shè)置邊界條件都有嚴格的要求。

求解域的選擇 

輪轂電機體積較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，假如用全模型仿真，將占用大量計算機內(nèi)存，花費大量時間，不利于做分析研究。為此，采用簡化的單槽模型，即按均分法只對單個槽及其所覆蓋的電機部件進行溫度場分析，該模型含有熱源、散熱途徑等全電機所具有的一切計算熱的條件，能真實反映全電機溫度分布，仿真模型如下圖所示。 模型內(nèi)容豐富，包括外機殼、內(nèi)機殼、定子、槽絕緣、環(huán)氧樹脂、繞組、定轉(zhuǎn)子間氣隙、轉(zhuǎn)子、永磁體及軸；槽內(nèi)繞組采用分層等效模型；定轉(zhuǎn)子間氣隙采用靜止高導(dǎo)熱系數(shù)空氣的等效模型；優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，計算量小。 

邊界條件設(shè)置 

輪轂電機溫度場仿真需要設(shè)置的邊界條件主要有兩種：絕熱邊界條件和對流邊界條件。單槽熱模型雖只取電機的一部分，但卻反映了電機內(nèi)熱量從軸到機殼傳遞的過程，全電機的溫度分布可認為是多個相同的單槽模型組合后的情況，假如是全電機模型，將其按槽數(shù)平均分成多個單槽模型，由于各單槽模型的溫度分布一樣，相互之間沒有熱量交換，因此對于單槽模型周向中心斷面均為絕緣面，應(yīng)賦絕緣邊界條件，如圖下圖所示；此外軸向電機各部件端面與空氣接觸，非強制對流的空氣散熱能力有限，可認為是絕熱的，但繞組端部與周圍各部件溫度差異較大存在自然對流散熱，因此軸向除繞組端部外均應(yīng)設(shè)置為絕熱邊界條件。 

水冷輪轂電機的熱量主要通過對流散熱的方式帶走，對流邊界設(shè)置是仿真的關(guān)鍵，模型中水路、機殼、繞組端部均有對流散熱情況存在，這些面應(yīng)設(shè)置成散熱面，賦對流邊界條件。

材料熱性能對電機穩(wěn)態(tài)溫升的影響 

從材料熱性能角度來說，電機穩(wěn)態(tài)溫升主要與材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，對于本模型受溫度影響導(dǎo)熱系數(shù)變化較大的材料有水、鋁、銅、45 號鋼。 水的熱參數(shù)隨溫度變化對電機溫升的影響，主要靠改變散熱系數(shù)實現(xiàn)的，為此采用流體軟件fluent對其影響進行仿真。入水溫度為 90℃，水路散熱系數(shù)在考慮溫度變化對水的熱物理性質(zhì)造成影響及不考慮的條件下，仿真結(jié)果如圖下圖所示。 

將fluent求的散熱系數(shù)作為對流邊界條件賦在 ANSYS WORKBENCH 的溫度模塊里，完成在所有材料熱參數(shù)隨溫度變化的條件下對電機溫升影響的分析，仿真結(jié)果如圖下圖所示。

       動力電池作為新能源汽車的核心部件，其使用性能和壽命嚴重影響著其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。鋰離子電池以其體積小、比能量高、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小和安全性高等優(yōu)點成為電動汽年的首選電源。其超高的能量密度雖然可以緩解續(xù)航里程短的缺點，但由于動力電池發(fā)熱帶來的安全問題卻非常嚴重，各大動力電池生產(chǎn)企業(yè)都在竭力尋找解決此問題的捷徑，有限元仿真技術(shù)便是捷徑之一。仿真技術(shù)作為智能研發(fā)必不可少的一種使能工具，應(yīng)用范圍非常廣泛，可以說“無處不在”。

按照SAE J2464標準進行電池電池組的CAE仿真

      跌落分析

目標:按照SAE J2464標準進行電池電池組的跌落分析

工具:顯式動力學(xué)模塊

網(wǎng)格 & 接觸:避免使用金字塔網(wǎng)格，保證網(wǎng)格可以用于所有類型的分析

            可能破環(huán)的接觸位置定義為超過150MPa后自動分離

載荷 & 邊界條件:電池從2米高以45度角跌落 ?為節(jié)省分析時間，定義接觸前的跌落速度作為初始載荷

結(jié)果:套件的上下位置分離

      自重作用下的變形分析

目標:分析支撐底座在電池自身重量作用下的變形情況

載荷:重力

約束:固定電池底座的安裝位置

結(jié)果:電池頂部有較大的位移 ?應(yīng)力在許可范圍內(nèi)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在最大應(yīng)變位置相對的支撐位置

      預(yù)緊力作用下的振動模態(tài)分析

目標:分析電池部件在預(yù)緊力下的振動模態(tài)

分析設(shè)置:由于隨機振動載荷高達190 Hz，分析中需要考慮1.5倍范圍，因此分析頻率高達250Hz

約束:由于分析預(yù)緊力下的工況，因此約束是由靜力學(xué)分析獲得

結(jié)果:提取了32階模態(tài) ?80%的質(zhì)量分布在三個方向，隨機振動模擬的精度足夠

     熱分析

目標:對電池模塊進行熱應(yīng)力分析

載荷：熱載荷由MAXWELL進行電磁場分析獲得 ?電池模塊固定在底面上

結(jié)果:分析熱應(yīng)力和變形是否導(dǎo)致部件的失效