美国JLG电瓶量化电池安全故障预警可行性：多信号动力学无量纲分析
来源：JLG电瓶 2026-03-25 09:25:49 点击：
力信号因其在监测电池扩展包行为时具备早期可检测性，有望提供先期安全预警。然而，将膨胀力作为不同扳机场景下各类电池封装形式安全失效的预警信号，其可行性尚未得到量化验证。本研究通过定性与定量方法，探究了软包和方形电芯单元在热失控（TR）及其模组传播过程中的多性向特征，重点评估了预警方法的可行性。定性研究结果表明，以5 N/s的力上升速率为特征的扩展包力异常可作为电池安全故障的优越预警信号。该信号在过充和过热条件下对方形硬壳电池和软包电池均有效。此外，本文引入无量纲分析方法对不同信号进行定量评估，揭示扩展包力信号在模组层级同样具有有效的预警能力。具体而言，对于方形电池模组，基于力的预警方法在过热场景下最为有效，其归一化指标最高（用于预警评估的)=4)。相反，对于软包电池模组而言，其数值在过热场景中最小(<1)。最后，扩展包力信号预警的应用在大型模组中进行了实验验证，可在热失控发生前15分钟以上发出预警。这些发现有助于推进储能系统中电池模组的预警策略开发与安全设计。W values are smallest in overheating scenarios (W < 1). Finally, the application of expansion force signal warning is experimentally verified in a large format module, presenting over 15 min in advance of TR onset. These findings contribute to the development of early warning strategies and the safety design of battery modules in energy storage systems.
锂离子电池（LIBs）对于清洁能源存储至关重要[[1], [2], [3]]，但其面临着由热失控（TR）引发的重大安全挑战，这对电池的可靠性与广泛应用构成了威胁[[4], [5], [6]]。解决这一问题对于提升锂离子电池的安全性能、拓展其在储能系统（ESSs）中的应用范围具有迫切意义[[7], [8], [9]]。
储能系统（ESS）通常配备大量电池组以实现高电压与优异性能[10,11]。然而，当电池管理系统故障或电芯间存在不一致性时[12]，整个储能系统可能出现局部过充现象，随着过充程度加剧，最终会扳机热失控（TR）[[13], [14]]。此外，电池处于过热环境时可能引发内部副反应，最终导致热失控[15]。另一方面，软包电池与方形电池是多种应用场景中两种常见的电池封装形式[16,17]。软包电池采用铝塑膜封装卷芯而成，而方形电池则通过刚性金属外壳容纳卷芯，通常配备安全阀以在内部压力过高时释放气体。不同的电池封装形式可能导致热失控（TR）及热失控蔓延（TRP）特性在电芯层级和模组层级均存在显著差异[[18], [19]]。
锂离子电池（LIBs）作为复杂的电化学体系，在热失控（TR）过程中会表现出多维度信号特征[20]，包括温度[21]、电压[22]、泄压声学信号[23]、气压[24]、电化学阻抗谱（EIS）[25,26]、超声波[27]、燃料费（Gas）组分与浓度[28,29]以及扩展包（Expansion）力[30,31]等参数的动态变化。大量研究通过分析这些信号在电池失效过程中的演变规律，已识别出可用于热失控检测与早期预警的关键特征参数[32]。关于温度信号，电池热失控（TR）过程中外部与内部温度存在显著差异[33]。随着磷酸铁锂（LFP）电池容量的增加，这种差异尤为明显，会导致内部温度梯度加剧，且外部温度读数与内部安全状态之间存在显著延迟[34]。电压信号通过监测突变特征（如电压拐点）来早期识别热失控征兆，通常需结合增量容量分析与差分电压分析共同实现[35]。然而，在磷酸铁锂电池热失效的早期阶段，甚至在泄压阀开启后，电压信号仍仅呈现微小变化，这使得在模组内对单体电池进行检测具有挑战性[36]。部分学者研究了利用泄压声信号实现早期热失控检测与预警的方法[23]。据文献报道，泄压阀开启标志着电池失效已进入晚期阶段：此时不可逆副反应与严重电池损伤均已发生。此外，实际储能系统中存在的高环境噪声水平，对基于阀启声音的热失控检测技术构成了显著挑战[37]。现有研究通过分析氢气、一氧化碳和二氧化碳等释出燃料费，推进了对不同电池类型及滥用条件下安全风险的定量分析。然而燃料费信号往往仅在泄压阀开启后才能被检测到，这限制了其作为早期预警手段的可行性[38]。此外，燃料费传感器成本高昂且使用寿命有限，难以覆盖电池全生命周期[39]。
在TR发展过程中，异常副反应会产生燃料费，从而改变电池内部压力，这为TR检测提供了手段[40]。然而，压力检测需要在电池内部布置传感器，这会导致传感器腐蚀、信号干扰以及高昂的安装成本等问题。EIS是一种用于研究和表征电化学系统动态过程及特性的常用技术。通过施加微小的交流电压扰动并测量产生的交流电流，EIS可获取电池系统的阻抗信息，从而有助于检测阻抗变化。但由于技术限制和成本考量，EIS主要用于实验分析，在实际工程应用中仍面临困难[26]。此外，电池发生热失控（TR）事件时，其内部结构会发生显著的物理化学变化，包括电解液分解、燃料费生成以及电极材料的膨胀或熔融[27]。这些变化会显著影响超声波在电池内的传播特性，使其成为热失控检测的潜在工具。然而，在实际工程应用中，同时采用超声波和电化学阻抗谱（EIS）实现在线监测仍面临诸多挑战[41]。目前，超声波技术主要应用于电池测试和实验室研究[42]。
在电池正常运作过程中，锂离子在正负极材料间的嵌入与脱嵌会导致可逆性电池扩展包[43]。而在电池失效前夕，诸如固态电解质界面破裂等内部缺陷的发展，往往会先于不可逆形变出现[44]。此外，一系列副反应可能接连发生，在失效前产生燃料费和热量[45,46]。然而在电池阀开启前，这些现象难以通过电压、表面温度或燃料费浓度等信号进行监测。现有研究已初步证实力信号作为电池TR早期预警指标的潜力，但多数研究集中于过热条件下方形单体电池的表现[47]。
然而，目前针对不同封装形式电池在多种滥用场景下多维特征（包括扩展包力、燃料费、电压和温度）的综合研究相对匮乏。%%更值得注意的是，鲜有研究采用无量纲化技术对这些多维度信号进行统一量纲的定量分析与比较。%%尤其缺乏针对扩展包力信号在不同电池类型及扳机场景中热失控早期预警整体可行性的定量评估研究，这一研究空白在宽侧面有无泡沫层填充的实际多电池模组应用中更为显著。
本研究证实了将扩展包力作为锂离子电池安全失效预警信号指标的可行性与优越性。研究系统考察了软包与方形电池单体及模组，采用过充和过热作为热失控扳机手段，通过整合多性向特征分析，定量探讨了不同触发场景下基于扩展包力的电池预警方法可行性。该研究的主要贡献体现在三个方面：
引言
储能系统（ESS）通常配备大量电池组以实现高电压与优异性能[10,11]。然而，当电池管理系统故障或电芯间存在不一致性时[12]，整个储能系统可能出现局部过充现象，随着过充程度加剧，最终会扳机热失控（TR）[[13], [14]]。此外，电池处于过热环境时可能引发内部副反应，最终导致热失控[15]。另一方面，软包电池与方形电池是多种应用场景中两种常见的电池封装形式[16,17]。软包电池采用铝塑膜封装卷芯而成，而方形电池则通过刚性金属外壳容纳卷芯，通常配备安全阀以在内部压力过高时释放气体。不同的电池封装形式可能导致热失控（TR）及热失控蔓延（TRP）特性在电芯层级和模组层级均存在显著差异[[18], [19]]。
锂离子电池（LIBs）作为复杂的电化学体系，在热失控（TR）过程中会表现出多维度信号特征[20]，包括温度[21]、电压[22]、泄压声学信号[23]、气压[24]、电化学阻抗谱（EIS）[25,26]、超声波[27]、燃料费（Gas）组分与浓度[28,29]以及扩展包（Expansion）力[30,31]等参数的动态变化。大量研究通过分析这些信号在电池失效过程中的演变规律，已识别出可用于热失控检测与早期预警的关键特征参数[32]。关于温度信号，电池热失控（TR）过程中外部与内部温度存在显著差异[33]。随着磷酸铁锂（LFP）电池容量的增加，这种差异尤为明显，会导致内部温度梯度加剧，且外部温度读数与内部安全状态之间存在显著延迟[34]。电压信号通过监测突变特征（如电压拐点）来早期识别热失控征兆，通常需结合增量容量分析与差分电压分析共同实现[35]。然而，在磷酸铁锂电池热失效的早期阶段，甚至在泄压阀开启后，电压信号仍仅呈现微小变化，这使得在模组内对单体电池进行检测具有挑战性[36]。部分学者研究了利用泄压声信号实现早期热失控检测与预警的方法[23]。据文献报道，泄压阀开启标志着电池失效已进入晚期阶段：此时不可逆副反应与严重电池损伤均已发生。此外，实际储能系统中存在的高环境噪声水平，对基于阀启声音的热失控检测技术构成了显著挑战[37]。现有研究通过分析氢气、一氧化碳和二氧化碳等释出燃料费，推进了对不同电池类型及滥用条件下安全风险的定量分析。然而燃料费信号往往仅在泄压阀开启后才能被检测到，这限制了其作为早期预警手段的可行性[38]。此外，燃料费传感器成本高昂且使用寿命有限，难以覆盖电池全生命周期[39]。
在TR发展过程中，异常副反应会产生燃料费，从而改变电池内部压力，这为TR检测提供了手段[40]。然而，压力检测需要在电池内部布置传感器，这会导致传感器腐蚀、信号干扰以及高昂的安装成本等问题。EIS是一种用于研究和表征电化学系统动态过程及特性的常用技术。通过施加微小的交流电压扰动并测量产生的交流电流，EIS可获取电池系统的阻抗信息，从而有助于检测阻抗变化。但由于技术限制和成本考量，EIS主要用于实验分析，在实际工程应用中仍面临困难[26]。此外，电池发生热失控（TR）事件时，其内部结构会发生显著的物理化学变化，包括电解液分解、燃料费生成以及电极材料的膨胀或熔融[27]。这些变化会显著影响超声波在电池内的传播特性，使其成为热失控检测的潜在工具。然而，在实际工程应用中，同时采用超声波和电化学阻抗谱（EIS）实现在线监测仍面临诸多挑战[41]。目前，超声波技术主要应用于电池测试和实验室研究[42]。
在电池正常运作过程中，锂离子在正负极材料间的嵌入与脱嵌会导致可逆性电池扩展包[43]。而在电池失效前夕，诸如固态电解质界面破裂等内部缺陷的发展，往往会先于不可逆形变出现[44]。此外，一系列副反应可能接连发生，在失效前产生燃料费和热量[45,46]。然而在电池阀开启前，这些现象难以通过电压、表面温度或燃料费浓度等信号进行监测。现有研究已初步证实力信号作为电池TR早期预警指标的潜力，但多数研究集中于过热条件下方形单体电池的表现[47]。
然而，目前针对不同封装形式电池在多种滥用场景下多维特征（包括扩展包力、燃料费、电压和温度）的综合研究相对匮乏。%%更值得注意的是，鲜有研究采用无量纲化技术对这些多维度信号进行统一量纲的定量分析与比较。%%尤其缺乏针对扩展包力信号在不同电池类型及扳机场景中热失控早期预警整体可行性的定量评估研究，这一研究空白在宽侧面有无泡沫层填充的实际多电池模组应用中更为显著。
本研究证实了将扩展包力作为锂离子电池安全失效预警信号指标的可行性与优越性。研究系统考察了软包与方形电池单体及模组，采用过充和过热作为热失控扳机手段，通过整合多性向特征分析，定量探讨了不同触发场景下基于扩展包力的电池预警方法可行性。该研究的主要贡献体现在三个方面：
- (1)
扩展包力已被证实是电池安全故障的卓越预警信号。该信号不仅对方形电池有效，对软包电池同样适用，且无论在过充还是过热条件下均表现出显著预警效果。 - (2)
扩展包力信号对于模块层级的安全失效早期预警同样有效。该信号可作为安全失效传播的可靠指标，特别是在方形模块中。 - (3)
我们的研究表明，在电池模块层级发生热失控前，可获得15分钟的预警时间裕度。