动力电池安全性检测实验可显著降低实验教学成本、提高实验教学效率、降低安全风险、提高学生的参与度和学习兴趣。学生通过该实验，应达到的知识及能力水平如下：

（1）了解动力电池的基础知识，熟悉电池安全性能测试的国际标准、国内标准和评价方法。

（2）掌握动力电池单体、电池模组、电池包等不同种类新能源汽车动力电池针刺、挤压、过充电、热扩散实验的设计原理、基本流程与方法，了解电池燃爆过程的演化路径。

（3）掌握动力电池安全性检测常用仪器设备的工作原理和使用方法，包含电池预处理设备、数据信号采集设备、挤压针刺试验台、试验参数设置软件、录像设备、辅助设备等；

（4）熟悉动力电池安全性试验与虚拟仿真的基本原理、方法、流程，具备根据检测标准开展电池安全性评价的能力；

（5）对虚拟仿真实验结果进行处理，获取电池电压、电流、温度等性能参数的演变过程，具备评价电池安全性能的能力。

（6）增进中外学生对所学课程《电化学与电池技术》、《Electrochemistry and Battery Technology》、《汽车安全技术》理论知识的理解，培养学生理论联系实践，做到学以致用。

（7）培养学生针对虚拟仿真实验存在的问题，独立分析，探寻解决方案，满足工程教育认证及新工科人才培养需求，具备解决实际工程问题的能力。

（8）熟悉双语教学实验全过程，熟练操作实验中的各项目，并用双语进行研讨和总结，培养学生的跨文化交流能力和实践创新能力。

新能源汽车动力电池安全性检测虚拟仿真实验原理主要包括动力电池热失控反应机理、动力电池热失控诱因耦合原理、动力电池针刺短路演变原理、动力电池挤压短路演变原理、动力电池过充生热演变原理、动力电池热扩散演变原理。

动力电池热失控反应机理（Thermal runaway reaction mechanism of power battery）

在动力电池发生热失控过程中，从低温到高温排序依次经历：高温容量衰减、SEI膜分解、负极材料与电解液反应、隔膜融化过程、正极材料分解反应、电解质溶液分解反应、负极与粘结剂反应、电解液燃烧等过程，如图2所示。热失控发生时电池正极与负极材料直接接触时反应产生大量热量和氧气，为电解液分解产气提供源源不断的热量，最终形成剧烈的射流明火，反应方程式如下所示。

动力电池热失控诱因耦合原理（Coupling principle of thermal runaway inducement of power battery）

动力电池热失控主要由于机械滥用、电滥用和热滥用诱发，如图3所示，三类滥用诱发热失控存在一定的耦合关系。首先机械滥用导致电池变形，而电池变形会引发内部短路，转变为电滥用过程；电滥用伴随着焦耳热和化学反应热的生成，转变为热滥用过程；热滥用过程造成电池温度持续上升，引发动力电池热失控链式反应，最终导致热失控的发生。

动力电池针刺短路演变原理（The evolution principle of acupuncture short circuit of power battery）

模拟动力电池在新能源汽车碰撞时遭遇尖锐物体刺穿导致内部短路的场景；用直径5mm~ 8mm的耐高温钢针以(255)mm/s的速度，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿，贯穿位置靠近所刺面的几何中心，钢针需要停留在蓄电池中超过一分钟，电池应不起火，不爆炸。图4、5为动力电池针刺仿真与实验原理。

动力电池挤压短路演变原理（The evolution principle of power battery squeeze short circuit）

模拟电池在新能源汽车碰撞时发生强力挤压和变形引起内部短路的场景。半径75mm 的半圆柱体挤压板以(51) mm/s的速度垂直于蓄电池极板方向施压，直到电池电压达到0V或变形量达到30%或挤压力达到200kN后停止挤压，电池应不起火，不爆炸。图6、7为动力电池挤压仿真与实验原理。

动力电池过充生热演变原理（The evolution principle of power battery overcharge and heat generation）

模拟电池在新能源汽车充电时发生无法自动断电的故障导致持续过充的场景；电池以1C倍率恒流充电，直至电压上升至充电截止电压的1.5倍或在电池达到截止电压之后以1C倍率持续充电大于等于1小时，电池应不起火，不爆炸。

动力电池热扩散演变原理（Principle of thermal diffusion evolution of power batteryn）

模拟电池在新能源汽车某个单体电池发生热失控时热传递诱发整包电池发生热失控的场景；环境温度应在0℃以上，对于设计为外部充电的电池包或系统，SOC调至不低于制造商规定的正常SOC工作范围的95%；对于设计为仅通过车辆能源进行充电的电池包或系统，SOC调至不低于制造商工作范围的90%；在电池包或系统中放置一个发热片或加热丝对电池加热，发热片或加热丝的发热功率为500~2000瓦，持续加热并记录电池包或系统发生热失控的时间，要求5分钟之后发生热失控。

本实验有中文版、英文版2个版本，使用者根据需求自行选择，2个版本的操作一样。

第一步：电池认知学习

打开实验链接，查看实验要求。选择软件语种，点击开始实验，选择第1个模块，学习动力电池类型、结构、分类、工作原理等知识。在实验过程中，需要回答测试题。

第二步：热扩散实验准备

点击右上角返回主页按钮，选择第2个模块热扩散实验。学习实验目的、实验原理和实验注意事项，然后进入热扩散测试实验室。

第三步：电池选择与测量

点击备选电池模型，选择合适电池，选择错误会提示并扣分。

点击电子秤，测量实验用单体电池重量。

点击测量工具，测量单体电池长宽高尺寸。

点击抹布模型，清理电池上油污等污渍。

第四步：电池充电

点击测量完毕的电池模型，将电池安装到支架上。

点击电池，连接充电线，测量元件。

点击电脑，设置充电参数，设置充电过程中电压、电流值。

第五步：加热片和传感器设置

点击测量仪器，测得加热片内阻、计算加热功率。

点击电池模型，布置传感器，组建实验电池组并放置加热元件，连接数据采集仪。

点击防爆门控制器，降下防爆门。

第六步：热扩散实验与数据分析

点击下一步按钮，开始实验，观察热扩散过程中电池的各种变化。

点击地秤模型，测量实验后电池组的重量，与实验前重量对比。

生成实验数据，结合实验现象判断电池是否为合格产品。

第七步：电池挤压实验准备流程

进入挤压实验模块，点击挤压头，在实验设备上放置挤压头。

点击电池模型，选择所需电池做实验，通过上下左右键调整电池位置。

连接电池测量元件，关闭防爆门。

第八步：挤压实验参数设置、结果分析

点击模型，进入挤压设备控制软件，点击相应的参数位置，设置挤压参数。

完成挤压实验过程，包括电池变形以及有可能出现的燃烧。

根据实验数据数据、曲线，结合实验现象判断电池的安全性。

第九步：针刺实验准备

进入针刺实验模块，点击刺针，在实验设备上安装刺针。

点击电池模型，选择当前电池做针刺实验，通过上下左右键调整电池位置。

连接电池测量元件，关闭防爆门。

第十步：针刺实验参数设置、结果分析

点击电脑模型，进入针刺设备控制软件，设置针刺参数。

完成针刺实验过程，包括电池刺穿以及有可能出现的燃烧。

根据实验数据、曲线，结合实验现象判断电池的安全性。

第十一步：电池过充实验准备

点击电池模型，确定过充实验所使用的的电池类型，连接充电线和测量元件。

点击电脑模型，设置电池充电过程相关参数。

关闭防爆门，准备开始实验。

第十二步：过充实验数据采集、结果分析

通过摄像机观察电池在过充状态下电池的变化。

采集实验数据，结合实验现象判断电池是否在过充方面满足安全性要求。

第十三步：提交考核结果，查看操作成绩，撰写实验报告并提交。