锂电池热失控传播测试：从单体到模组的安全评估

热失控传播——电池包安全的最大挑战

单节电池的热失控固然危险，但更致命的是热失控在电池模组和电池包内的级联传播（Thermal Runaway Propagation）。一节电池热失控释放的热量触发相邻电池依次进入热失控，形成"多米诺骨牌"效应，最终导致整个电池包起火爆炸。这正是近年来多起新能源汽车火灾事故的根本原因。

GB 38031-2020明确要求：电池包在触发单体热失控后，5分钟内不起火、不爆炸，且不能有热失控传播至乘员舱的风险。这一"5分钟逃生时间"要求，直接推动了热失控传播测试技术的快速发展。

热失控传播的机理

热失控从触发电池向相邻电池传播主要有三种路径：

1. 热传导

通过电池之间的物理接触面（如汇流排、导热胶、结构件）直接传热。这是最主要的传播路径，尤其在紧耦合设计的电池模组中。触发电芯表面温度可达700°C以上，通过金属连接件可在数秒内将相邻电芯局部加热至200°C以上。

2. 热辐射

热失控过程中高温火焰和高温气体的辐射传热。辐射传热与距离的平方成反比，在电池间隙较小时影响显著。火焰温度可达1000°C以上，辐射功率密度可达数十kW/m²。

3. 热对流

热失控产生的高温气体和火焰在电池包内部空间的对流传热。当安全阀打开后，喷出的高温气体（含电解液蒸气和可燃气体）可在电池包内形成高温对流场，加热远离触发电芯的电池。

热失控传播测试方法

标准要求

GB 38031-2020 Section 8.2.7 规定的热失控传播测试流程：

  1. 将电池包充电至100% SOC
  2. 选择电池包中最不利位置的电芯作为触发电芯（通常选择中心位置）
  3. 通过加热片或针刺方式触发热失控
  4. 监测所有电芯的电压和温度变化
  5. 判断标准：热失控发生后5分钟内，电池包不起火、不爆炸，且无火焰进入乘员舱

触发方式选择

触发方式优点缺点适用场景
加热片触发可控性强，可精确控制触发时间和位置需要预留加热片安装空间，改变了热传导路径电池包级测试（标准推荐）
针刺触发直接引发内短路，更接近真实事故针刺设备安装复杂，钢针可能影响传热电芯/模组级测试
过充触发无需额外设备，通过BMS控制触发时间不确定，过充过程产热可能影响周围电芯特殊情况下的替代方案

测试布置与数据采集

传感器布置方案

热失控传播测试的传感器布置直接影响测试结果的完整性和有效性：

  • 温度传感器：在触发电芯表面、与触发电芯相邻的4~6节电芯表面、距离触发电芯最远的电芯表面各布置K型热电偶，采样频率不低于10Hz
  • 电压采集：通过BMS或外部分析仪实时采集每节电芯的电压，判断是否发生热失控（电压突降至0V）
  • 气体传感器：在电池包排气口附近布置CO、H₂、VOC传感器，用于热失控早期预警研究
  • 视频监控：在测试舱内布置高速摄像机和红外热像仪，记录热失控传播的全过程

判断热失控传播的标志

当满足以下任一条件时，可判定该电芯已发生热失控：

  1. 电压突降（1秒内下降超过标称电压的50%）
  2. 表面温升速率超过1°C/s
  3. 目视观察到冒烟、起火
  4. 检测到明显的气体释放

热失控抑制策略与测试验证

为满足GB 38031的"5分钟不起火"要求，电池包设计通常采用以下抑制策略，每种策略都需要通过传播测试验证其有效性：

1. 物理隔离

在电芯之间设置隔热层（气凝胶、云母板、陶瓷纤维等），阻断热传导路径。典型方案是在每两节电芯之间插入1~3mm厚的气凝胶隔热垫，可显著延长热失控传播时间。测试验证重点：隔热层在高温下的完整性（不收缩、不粉化）和对电池包体积/重量的影响。

2. 液冷系统

利用液冷板在热失控发生时主动冷却相邻电芯，延缓温度上升速度。部分设计方案在检测到热失控信号后启动最大流量冷却循环。测试验证重点：冷却系统在极端温度下的持续工作能力和冷却效果。

3. 排气泄压

通过合理设计电池包的排气通道和泄压阀，将热失控产生的高温气体迅速排出电池包外，避免气体在包内积累形成高温对流场。测试验证重点：排气路径的有效性和泄压阀的响应时间。

4. 阻燃材料

在电池包上盖和关键结构件处使用阻燃材料（金属板、阻燃复合材料等），防止火焰从电池包内部窜出。测试验证重点：材料在1000°C以上火焰直接冲击下的阻燃持续时间。

典型测试案例

以某80kWh三元锂电池包为例，进行热失控传播测试：

  • 电池规格：NCM811方形铝壳电芯，155Ah，100% SOC
  • 触发方式：模组中心电芯底部粘贴200W加热片
  • 热管理：液冷板位于模组底部，热失控后开启最大流量冷却
  • 隔热措施：电芯间3mm气凝胶垫，模组间5mm云母板

测试结果：

  1. 加热380秒后，触发电芯电压突降，表面温度飙升至823°C
  2. 触发电芯左右相邻电芯在120秒后表面温度超过Tonset（135°C）
  3. 左侧相邻电芯在触发电芯热失控后185秒发生热失控
  4. 右侧相邻电芯在触发电芯热失控后210秒发生热失控
  5. 液冷系统有效延缓了第二排电芯的温升，未发生二次传播
  6. 电池包外部未观察到明火，安全阀正常排气
  7. 从首次热失控至测试结束，总时间超过5分钟，满足GB 38031要求

测试安全注意事项

热失控传播测试是危险性最高的电池安全测试之一，必须严格遵守以下安全规范：

  1. 专用测试舱：测试必须在具备防爆、防火、通风功能的专业测试舱内进行，舱体应能承受电池爆炸产生的冲击波
  2. 远程操作：所有操作和监控在安全距离外远程完成，测试期间严禁人员进入测试区
  3. 消防准备：测试现场配备足量灭火器材，与消防部门建立联动机制
  4. 废气处理：热失控产生的有毒气体（HF、CO、HCN等）必须经过专用净化系统处理后排放
  5. 废料处置：测试后的电池残骸属于危险废物，须按相关规定妥善处理

结语

热失控传播测试是评估电池包安全性能的终极手段，直接决定了新能源汽车的火灾风险水平。通过科学合理的测试方案设计和严格的安全防护，可以获得可靠的传播特性数据，为电池包的热安全设计优化提供关键依据。ThermSafe实验室拥有专业的大型防爆测试舱和完整的热失控传播测试能力，可提供符合GB 38031、GB/T 36276等标准的热失控传播检测服务，助力客户打造更安全的电池产品。