基于SOC梯度的被动安全性设计：一种受棋盘结构启发的结构配置，用于减缓锂离子电池组中的热失控蔓延

《eTransportation》：SOC gradient-based passive safety design: a chessboard-inspired structural configuration for mitigating thermal runaway propagation in lithium-ion battery packs

国际象棋棋盘式电池包通过分组交替放电创造空间SOC差异，高SOC电池被低SOC邻域包围形成热缓冲，三维热失控模型验证该设计使传播阈值提升22°C，并重定向10%能量至非相邻电池，有效抑制热失控传播。

　　近年来，随着电动汽车和储能系统的发展，锂离子电池因其高能量密度而被广泛应用。然而，锂离子电池的安全性问题也日益受到关注，尤其是热失控（Thermal Runaway, TR）现象。热失控是指电池在异常条件下，如过充、过放、短路或外部高温影响下，内部化学反应失控导致温度迅速上升，进而引发连锁反应，最终可能造成电池起火甚至爆炸。这一现象不仅威胁到设备的安全，还对环境和人员构成严重风险。因此，如何有效抑制热失控的传播，提升电池系统的安全性，成为研究的重要方向。

传统的锂离子电池组通常采用串联并联的方式连接相邻电池单元。这种结构虽然能够提高电池组的总电压和容量，但在热失控发生时，会引发热传播的连锁反应，从而导致整个电池组出现灾难性后果。为了应对这一问题，研究人员提出了一种新颖的“棋盘式”电池组设计，该设计通过将电池单元分为两个交错排列的子组，并采用交替的荷电状态（State of Charge, SOC）分布，来优化电池组的热管理性能。在运行过程中，这两个子组按照顺序进行放电，从而形成空间上的SOC差异。每个高SOC电池单元被低SOC的相邻电池单元包围，这些低SOC电池单元在结构上起到了天然的热缓冲作用，有助于抑制热失控的传播。

该设计的核心在于通过优化电池单元的排列方式和放电策略，提高电池组的被动安全性。与传统的电池组相比，棋盘式结构在热失控发生时表现出更强的抑制能力。研究表明，在75% SOC的电池组中，只有棋盘式结构能够有效阻止热失控的传播。相比之下，传统结构在相同SOC条件下，热失控传播的阈值较低。此外，围绕热失控电池单元的50% SOC电池单元能够将热失控传播的温度阈值提高22°C，这在一定程度上降低了热失控的传播风险。同时，该设计还引入了特殊的极耳结构，使得在热失控过程中释放的能量部分被引导至非相邻电池单元，从而减少对相邻电池的直接影响。这种能量的重新分布进一步提高了热失控传播所需的能量门槛，使得整个电池组的热安全性得到提升。

从实际应用的角度来看，棋盘式电池组设计不仅能够提高电池系统的安全性能，还能够在一定程度上优化电池组的能量密度。传统的电池组由于相邻电池单元之间的直接连接，容易导致热失控的快速传播，从而影响整个系统的运行效率和安全性。而棋盘式结构通过将电池单元分为两个子组，并采用交替的SOC分布，使得高SOC电池单元被低SOC电池单元包围，形成一种天然的热隔离机制。这种设计策略不仅能够提高电池组的热稳定性，还能够避免因电池单元之间SOC不一致而导致的电池管理系统问题。

在实验和模拟研究方面，研究人员首先对不同SOC水平下的NMC棱柱电池进行了热失控实验，基于实验结果，建立了3D热失控模拟模型，并进行了验证。随后，将单个电池模型扩展到模块级，以进一步验证和研究电池组级的热失控传播行为。模拟结果表明，棋盘式结构在热失控传播过程中表现出显著的优势，能够有效抑制热失控的扩散，提高电池组的安全性能。同时，实验数据也表明，围绕热失控电池单元的低SOC电池单元能够显著提高热失控传播的温度阈值，从而降低热失控的传播风险。

在实际应用中，棋盘式电池组设计具有重要的意义。它不仅能够提高电池组的热安全性，还能够优化电池组的运行策略，使得电池组在不同工况下都能保持较高的安全性能。例如，在电动汽车和储能系统中，电池组通常需要在高SOC条件下运行，以提供更高的能量输出。然而，这种高SOC运行状态也容易引发热失控的风险。棋盘式结构通过将电池单元分为两个子组，并采用交替的SOC分布，使得高SOC电池单元被低SOC电池单元包围，从而形成一种有效的热隔离机制。这种设计策略不仅能够提高电池组的热稳定性，还能够避免因电池单元之间SOC不一致而导致的电池管理系统问题。

此外，棋盘式电池组设计还能够优化电池组的能量管理策略。通过将电池单元分为两个子组，并采用顺序放电的方式，使得每个电池单元在运行过程中都能保持相对稳定的SOC状态。这种策略不仅能够提高电池组的整体能量利用率，还能够减少因SOC不一致而导致的电池单元之间的热应力差异。同时，棋盘式结构还能够通过特殊的极耳设计，将部分释放的能量引导至非相邻电池单元，从而降低对相邻电池单元的直接影响，提高电池组的整体热安全性。

从设计角度来看，棋盘式电池组设计具有较高的工程可行性。它不仅能够优化电池单元的排列方式，还能够通过调整放电策略，提高电池组的运行效率和安全性。同时，该设计还能够通过模拟和实验验证，确保其在实际应用中的有效性。研究人员通过建立3D热失控模拟模型，并进行实验验证，发现棋盘式结构在热失控传播过程中表现出显著的优势，能够有效抑制热失控的扩散，提高电池组的安全性能。此外，实验数据还表明，围绕热失控电池单元的低SOC电池单元能够显著提高热失控传播的温度阈值，从而降低热失控的传播风险。

在实际应用中，棋盘式电池组设计不仅能够提高电池组的热安全性，还能够优化电池组的运行策略，使得电池组在不同工况下都能保持较高的安全性能。例如，在电动汽车和储能系统中，电池组通常需要在高SOC条件下运行，以提供更高的能量输出。然而，这种高SOC运行状态也容易引发热失控的风险。棋盘式结构通过将电池单元分为两个子组，并采用交替的SOC分布，使得高SOC电池单元被低SOC电池单元包围，从而形成一种有效的热隔离机制。这种设计策略不仅能够提高电池组的热稳定性，还能够避免因电池单元之间SOC不一致而导致的电池管理系统问题。

综上所述，棋盘式电池组设计通过优化电池单元的排列方式和放电策略，显著提高了电池组的热安全性。该设计不仅能够有效抑制热失控的传播，还能够通过调整SOC分布，降低热失控的传播风险。同时，该设计还能够优化电池组的能量管理策略，提高电池组的整体运行效率和安全性。因此，棋盘式电池组设计在电动汽车和储能系统的安全设计中具有重要的应用前景，为被动安全技术的发展提供了新的思路和方法。