新能源汽车电池包安全技术创新研究

一、研究背景和行业现状

汽车行业是国家的支柱产业，中国汽车行业年产销售量已连续多年雄踞全球第一，同时汽车也是石油消耗和温室气体排放的主要因素。基于能源安全和温室气体减排目标的要求，国家不断出台鼓励新能源汽车的发展政策。但如今随着新能源汽车保有量的快速增长，电动汽车起火事故时有发生，保障电池的安全变得越来越重要。

近期颁布的新标准首次将“不起火、不爆炸”从企业技术储备上升为强制性要求，彻底终结了行业对热失控风险的侥幸心理，为电动汽车行业设定了更高的安全门槛，被誉为“史上最严电池安全令”，也标志着动力电池安全进入“零容忍”时代。工业和信息化部表示，这次修订主要新增电池底部击测试、快充循环后安全测试等试验项目，加强热扩散等安全要求，将动力电池起火、爆炸前 5 分钟报警提升至不起火、不爆炸，从产品设计端降低动力电池自燃事故发生率，进一步保障消费者生命财产安全。

当前新能源汽车起火主要原由在于电池领域存在电池热失控导致电池包起火事故。其中汽车电池包热失控，占纯电动车事故的 50% 以上，目前主流的三元锂电池其高能量密度储存更多化学能，一旦发生热失控，释放的能量更大，起火风险更高。使其容易因热失控起火。而与之相配套的电池包安全系统为传统温度传感器（热敏电阻）（秒级）加电流 / 电压传感器联合检测加上局部喷淋传统灭火剂（水基灭火剂，干粉灭火剂）。其结果在于热敏电阻响应速度慢（秒级），是无法满足电池包毫秒级预警需求和灭火剂使用效果，覆盖不均匀，环保性差，响应延迟。

二、传统电池包安全技术的局限性

当前新能源汽车中低端车型市场电池包温度检测及安全初期灭火主流方式为：通过传统温度传感器（热敏电阻）（秒级）加电流 / 电压传感器联合检测加上局部喷淋传统灭火剂（水基灭火剂，干粉灭火剂）。其结果在于热敏电阻响应速度慢（秒级），无法满足电池包快速预警安全需求和高效灭火降温，覆盖不均，安全性差，响应延迟。原理在于 1. 温度传感器检测速度慢、电压电流传感器二者检测装置少，电池热管理系统会有报错的风险，限制汽车日常行驶功率。2. 气溶胶灭火装置局部覆盖，降温效果不好。高温释放风险，爆炸时会产生高温，损坏电气设备和二次火灾。3. 传统 PTC 温度传感器，因机械挤压，振动导致绝缘层破损，引发线路短路，产生局部高温电弧，直接引燃电池包内易燃材料。

目前很多电池组在设计时没有考虑电池组之间的合理布置和平衡布置，导致在汽车撞击或受到外力冲击时，一些电池组会产生过大的应力，从而引起结构损伤，甚至造成电池故障，缺少有效的缓冲空间，会导致电池组在热膨胀、机械振动等因素作用下，容易发生短路、起火等危险。散热也是迫切需要解决的问题，新能源汽车的电池在充放电过程中会释放大量的热能，若不能及时、有效的散热，会引起电池升温过高，缩短电池使用寿命，甚至引起热失控。电池组散热能力的欠缺主要是因为散热通路不合理和材料不利于散热。在散热通道设计方面，很多电池组均为常规风冷或液冷却，但其在复杂工况下存在散热不足的问题。轻量化与强度的矛盾一直是新能源汽车动力总成设计中亟待解决的问题。轻量化是提升整车能效和延长续航里程的重要手段。然而，其在减轻整车重量的同时，也会降低电池组的结构强度。传统的轻量化设计多采用轻质材料，并进行结构优化，但在提高轻量化的同时，易造成电池组在碰撞、振动等工况下强度不足 。

三、新一代电池包安全技术创新方案

基于当前市场电池包安全缺点，提出热成像温度检测传感器，新式灭火降温装置和柔性石墨烯 PTC 传感器三者结合的新式电池包安全保护组合。一是对于各个电池单体检测温度速度到达毫秒级响应：基于光阱式多反增层纳米阵技术的热成像温度检测传感器（双目 V 型排列结构 + 金属层三层反射透镜），响应速度比传统热敏电阻（秒级）快 10 倍以上，与电流 / 电压传感器同步（毫秒级），解决了传统温度传感器滞后性问题 . 二是动态与静态温度双检测：结合高精度热成像温度（动态瞬时信号）和柔性石墨烯 PTC（静态温度），排除电池包内其他电器设备工作时温度影响，实时电池单体温度检测，以降低 BMS 误判率百分之三十，提升决策可靠性。三是精度与稳定性提高：在热成像芯片金属层表面采用三角多反射棱镜，通过镜片之间相互光线反射，相比平面透镜光线接受率提升二到五倍，提高对光线的反射接收频率，增强对于温度检测分辨率和精准度。

以热成像和柔性石墨烯 PTC 为主高速传感器与快速温降装置相结合的新能源汽车的降温装置，为新能源汽车预防温变和灭火初期高效降温提供可靠的技术支持，热成像温度检测仪，实时检测电池单体表面温度值和算法计算温度突变值，在动态温控方面提升汽车行驶效能，确保电池包工作温度在最佳范围内25-35° C，利用电池热管系统动态调整液冷 / 加热策略，减少因温度滞后导致的能量浪费。延缓电池老化速度，在汽车不同运动模式和行驶工况下，引发的高温使电池容量衰减速率加快。热成像温度检测仪可精准控制电芯温度波动范围，使循环寿命延长 20% 以上。以及多排电池降温管，在电池包内具体体现在效率性与覆盖性提升，具有快速响应机制在灭火指令接收后，降温管毫秒级触发启动，避免传统电磁阀或机械开关的延迟。全覆盖喷射系统高压雾化喷嘴，通过多孔位陶瓷设计实现 180^∘ 上中下电池包覆盖，对比传统局部喷淋，灭火剂扩散效率提升 50% 以上。在产品使用后期的维护和更换，采用模块化和独立化，不依赖其他部件固定和配合，模块独立可更换，降低车企售后维护成本和更换难度。

新能源汽车动力电池安全已迈入“零容忍”时代，“不起火、不爆炸”成为强制性要求。传统安全方案因检测响应慢、灭火覆盖差、结构散热设计不足等局限，难以有效应对热失控风险。本文提出的新一代电池包安全技术，通过创新性地集成毫秒级热成像温度检测、柔性石墨烯 PTC 传感器及高效快速温降装置，构建了全方位的安全防护体系。该方案实现了电池单体温度的动静态精准监测，误判率降低 30% 、毫秒级快速响应灭火降温，扩散效率提升 50% 以上、最佳工作温度区间动态维持，循环使用寿命 20% 以上，并具备模块化维护优势。这不仅从技术层面解决了现有痛点，为消费者生命财产安全提供了更坚实的保障，也为行业满足日益严苛的安全标准、推动新能源汽车产业健康可持续发展奠定了重要的技术基础。未来，在持续优化该技术的同时，仍需关注轻量化与结构强度的平衡等系统性问题。

参考文献

[1]梁艺瀚 , 周成熙 . 新能源汽车电池包模组结构安全性能评估与优化 [J].大众汽车 ,2024(11):0070-0072