リチウムイオンバッテリーパックにおける熱暴走時の電気的相互作用

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Battery safety researchers can use the experimental methodology and model to further investigate electrical failure propagation.

🏢実務担当者:EV battery pack designers should incorporate electrical interactions into their safety simulations and testing protocols.

電気自動車の普及に伴い、リチウムイオン電池は運輸部門の脱炭素化における中心的な技術となっている[1]。この発展を持続させるには、バッテリーシステムの性能、費用対効果、そして何よりも安全性における継続的な進歩が必要である。性能とコストの間の妥協はしばしば避けられないが[2]、厳格な規制要件と車両型式認証におけるその本質的な役割により、安全性は交渉の余地がない[3, 4]。この文脈において、リチウムイオン電池パックにおける熱暴走の伝播防止は、電気自動車の主要な安全要件である[5, 6]。パックレベルの緩和コンセプトは主に熱的および機械的結合を対象としているが[7]、熱暴走中のセル間の電気的相互作用ははるかに注目されていない。特に、並列セル相互接続が電流再分配と、それに伴う虐待条件下でのジュール熱発生に及ぼす影響は、未だ十分に理解されていない。 本研究では、ニッケルリッチ酸化物カソードを備えた円筒形21700セルを含む自動車用バッテリーパックの、代表的なパック統合条件下での単一セルの熱暴走時における電気的応答を調査する。この目的のために、パックレベルの伝播試験（図1a–c）、専用の単一セル釘刺し実験、および死後X線コンピューター断層撮影を実施し、一方で、相互接続されたバッテリーパック内の単一セル挙動を分析するための簡略化された電気パックモデルを実装した。パック実験は、1つのセルの熱暴走が、並列ネットワークを通じて再分配される実質的な内部駆動の短絡電流を引き起こすことを示している。結果として生じる電圧応答は、この再分配が直列接続されたモジュール内のセルを局所的に過充電し、過渡的なセル電圧が通常の動作ウィンドウを大幅に超えることを実証している。これらの観察は、パックトポロジーだけでもセル故障中に追加の電気的負荷を生み出し、初期の熱事象を超えたさらなる損傷を促進し得ることを示している。その後の単一セル虐待試験は、トリガーセルの内部短絡抵抗を約5〜300 mΩに制限し、幅広い可能な短絡電流とパックレベルの電気的ストレスを示唆している。死後コンピューター断層撮影はさらに、セルキャップシール領域を低抵抗内部短絡の潜在的な弱点として特定する（図1d,e）。この発見は、電気的に駆動される故障の深刻度に対するセル設計と製造品質の関連性を強調している。 簡略化された電気モデルは、実験的に観察された再分配傾向を再現し、パック応答の支配パラメータへの洞察を提供する。特に、シミュレーションは、非常に低い短絡抵抗が極めて高い短絡電流と隣接セルの顕著な過充電につながることを示している。さらに、パック内の故障セルの位置は、誘発される電圧外乱の大きさに影響を与える。したがって、パックレベルでの最悪の電気的条件は、内部短絡抵抗と故障セルの空間的位置によって共同で決定される。 全体として、結果は、バッテリー安全性評価とパック設計が、セル間電流伝達、トポロジー依存放電、局所的過充電、および関連するジュール加熱を含む、熱暴走中の電気的影響を明示的に考慮しなければならないことを実証している。短絡抵抗、セル位置、およびパックトポロジーの不利な組み合わせの下では、電気的に誘発された過充電が、熱伝播に寄与し得る追加の熱源となる可能性がある。提示された方法論は、電気的に重要なパック構成を特定し、自動車用途向けの堅牢なバッテリーシステムの設計を改善するための、実験的に基づいた基盤を提供する。 参考文献 [1] Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Data Service Renewable Energies - Global EV registrations. [2] Schmuch, R.; Wagner, R.; Hörpel, G.; Placke, T.; Winter, M., Performance and cost of materials for lithium-based rechargeable automotive batteries. Nature Energy 2018, 3, (4), 267-278. [3] Kampker, A.; Heimes, H.; Frieges, M.; Kisseler, N., Battery Testing in Accordance with UN Regulation 100 REV. 3. 2024 . [4] Lin, C.; Burggräf, P.; Liu, L.; Adlon, T.; Mueller, K.; Beyer, M.; Xu, T.; Kammerer, V.; Hu, J.; Liu, S.; Wang, F., "Deep-Dive analysis of the latest Lithium-Ion battery safety testing standards and regulations in Germany and China". Renewable and Sustainable Energy Reviews 2023, 173, 113077. [5] Nationals Standard of the People's Republic of China (GB), GB38031-2025: Electric Vehicles Traction Battery Safety requirements 2025 , Issued by: State Administration for Market Regulation-National Standardization Administration. [6] United Nations, Addendum 99: Regulation no. 100-revision 3: Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to specific requirements for the electric power train. 2022 , Issued by: United Nations. [7] Wang, Q.; Mao, B.; Stoliarov, S. I.; Sun, J., A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies. Progress in Energy and Combustion Science 2019, 73, 95-131. 図1

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

With the growing adoption of electric vehicles, lithium-ion batteries have become a central technology for the decarbonization of the transport sector [1]. Sustaining this development requires continuous advances in battery system performance, cost-effectiveness, and, above all, safety. While compromises between performance and cost are often unavoidable [2], safety is non-negotiable due to stringent regulatory requirements and its essential role in vehicle homologation [3, 4]. In this context, the prevention of thermal propagation in lithium-ion battery packs is a key safety requirement for electric vehicles [5, 6]. While pack-level mitigation concepts mainly target thermal and mechanical coupling [7], the electrical interaction between cells during thermal runaway has received far less attention. In particular, the influence of parallel cell interconnections on current redistribution and the resulting Joule heat generation under abusive conditions remains insufficiently understood. This work investigates the electrical response of an automotive-style battery pack containing cylindrical 21700 cells with nickel-rich oxide cathodes during the thermal runaway of a single cell under representative pack integration conditions. For this purpose, pack-level propagation tests (Figure 1a–c), dedicated single-cell nail-penetration experiments, and post-mortem X-ray computed tomography were carried out, while a simplified electrical pack model was implemented to analyze single-cell behavior within the interconnected battery pack. The pack experiments show that thermal runaway of one cell triggers substantial internally driven short-circuit currents that redistribute through the parallel network. The resulting voltage response demonstrates that this redistribution can locally overcharge cells in series-connected modules, causing transient cell voltages to significantly exceed the normal operating window. These observations indicate that pack topology alone can create additional electrical loading during a cell failure and thus promote further damage beyond the initial thermal event. Subsequent single-cell abuse tests constrain the internal short-circuit resistance of the trigger cell to approximately 5–300 mΩ, implying a wide range of possible short-circuit currents and pack-level electrical stresses. Post-mortem computed tomography further identifies the cell-cap sealing region as a potential weak point for low-ohmic internal shorts (Figure 1d,e). This finding highlights the relevance of cell design and manufacturing quality for electrically driven failure severity. The simplified electrical model reproduces the experimentally observed redistribution trends and provides insight into the governing parameters of the pack response. In particular, the simulations show that very low short-circuit resistances lead to extremely high short-circuit currents and pronounced overcharge of neighboring cells. In addition, the location of the failing cell within the pack influences the magnitude of the induced voltage disturbance. Thus, the worst-case electrical conditions at pack level are jointly determined by the internal short-circuit resistance and the spatial position of the failing cell. Overall, the results demonstrate that battery safety assessment and pack design must explicitly account for electrical effects during thermal runaway, including inter-cell current transfer, topology-dependent discharge, localized overcharge, and associated Joule heating. Under unfavorable combinations of short-circuit resistance, cell location, and pack topology, electrically induced overcharge may become an additional heat source that can contribute to thermal propagation. The presented methodology provides an experimentally grounded basis for identifying electrically critical pack configurations and for improving the design of robust battery systems for automotive applications. References [1] Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Data Service Renewable Energies - Global EV registrations. [2] Schmuch, R.; Wagner, R.; Hörpel, G.; Placke, T.; Winter, M., Performance and cost of materials for lithium-based rechargeable automotive batteries. Nature Energy 2018, 3, (4), 267-278. [3] Kampker, A.; Heimes, H.; Frieges, M.; Kisseler, N., Battery Testing in Accordance with UN Regulation 100 REV. 3. 2024 . [4] Lin, C.; Burggräf, P.; Liu, L.; Adlon, T.; Mueller, K.; Beyer, M.; Xu, T.; Kammerer, V.; Hu, J.; Liu, S.; Wang, F., “Deep-Dive analysis of the latest Lithium-Ion battery safety testing standards and regulations in Germany and China”. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2023, 173, 113077. [5] Nationals Standard of the People's Republic of China (GB), GB38031-2025: Electric Vehicles Traction Battery Safety requirements 2025 , Issued by: State Administration for Market Regulation-National Standardization Administration. [6] United Nations, Addendum 99: Regulation no. 100-revision 3: Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to specific requirements for the electric power train. 2022 , Issued by: United Nations. [7] Wang, Q.; Mao, B.; Stoliarov, S. I.; Sun, J., A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies. Progress in Energy and Combustion Science 2019, 73, 95-131. Figure 1

• semanticscholar https://doi.org/10.1149/ma2026-0172880mtgabsfirst seen 2026-07-20 05:14:13 · last seen 2026-09-21 04:53:28