鉅大LARGE | 點擊量：980次 | 2021年05月14日
風冷圓柱形鋰離子電池系統熱失控擴展特性
摘要通過已有ARC測試的電池單體熱失控溫度曲線計算得到電芯的生熱功率，再將該熱功率含義為混合動力機車動力鋰離子電池系統內指定熱失控單體的熱功率，仿真計算其周圍單體的瞬態溫度。計算表明：空調風冷時單顆電芯熱失控不會引發熱失控擴展；沒有空調風冷時某一顆電芯熱失控會在模組內擴展，一并電芯同時熱失控將導致上層電池包熱失控。最后對熱失控擴展阻斷設計方法進行了探討。
關鍵詞：混合動力機車；鋰離子動力鋰離子電池系統；熱功率；熱失控擴展
大功率混合動力機車成熟產品及應用較少，缺乏安全事故方面數據，但是動力汽車行業已有大量安全事故的統計數據。近年來汽車動力鋰離子電池事故均是由于電池組中的某一個電池單體發生熱失控后出現大量熱，導致周圍電池單體受熱引發熱失控擴展。熱失控不僅是發生安全性問題的本質原因，也成為了制約鋰離子電池性能表現的短板之一。
鋰離子動力鋰離子電池系統熱失控安全性事故發生有兩種情況，一種是電池系統長期老化帶來的可靠性降低；另一種是突發事件造成電池系統損壞。不斷發展的冷卻技術和BMS技術保證了在正常情況下監測電池的安全狀態，并進行主動保護。但隨著該技術的復雜化、設備老化，系統的可靠性逐漸降低，以及不可預判的突發事件，該類技術不能完全保證電池系統的安全。要在動力鋰離子電池系統中應用熱失控擴展阻斷技術，當所有安全防護技術失效且出現局部單體熱失控后防止引發其他單體熱失控，從而降低危害和損失。
造成鋰離子動力鋰離子電池熱失控事故的觸發形式很多，其他觸發形式的機理分析都離不開有關熱觸發機理的研究。因此，文中通過指定電池系統內單體熱失控，仿真計算電池系統溫度特性，探究模組內部、電池包間熱失控傳播特性。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1單體電池熱失控特性
大量實驗研究表明，電池熱失控過程有三個共性的特點溫度：電池自產熱起始溫度(T1)；熱失控觸發溫度(T2)，溫度達到T2后開始發生熱失控，溫度驟升無法控制；熱失控后電池達到的最高溫度(T3)。
有關磷酸鐵鋰離子電池T1為80～160℃，T2為150～250℃，單體絕熱環境熱失控以后的最高溫度大都不超過500℃，圖1為某磷酸鐵鋰離子電池熱失控溫度曲線[8]。
圖1某磷酸鐵鋰離子電池熱失控ARC測試溫度曲線
在電池質量m、比熱容cp已知的情況下，可根據電池熱失控溫度曲線(T-t曲線)計算得到電池熱失控過程生熱功率q，見式(1)。
絕熱測試中，當電池溫度達到最高值以后不再生熱，溫度降低，計算熱失控生熱功率時只需考慮從自產熱到溫度最高這個過程。因此通過MATLAB編程提取了圖1中100%SOC電池熱失控溫度達到最高值前的數據。再將提取的離散點通過高斯函數擬合，擬合函數見式(2)，函數曲線見圖2。
圖2擬合曲線與提取離散點
如圖2所示，擬合的函數曲線與提取值吻合較好。對擬合的溫度函數式(2)求導得到式(3)
根據電芯的比熱容、質量及式(1)計算得到生熱功率如圖3所示。
圖3單體熱失控生熱功率
2模組內電池熱失控擴展研究
此次研究的大功率圓柱形鋰離子動力鋰離子電池系統采用空調風冷，動力鋰離子電池工作時空調機組運行將電池室內冷卻循環空氣中的熱量帶走，保證電池在合理溫度范圍；動力鋰離子電池停止工作時空調機組停止運行。
2.1計算模型
單個模組為60(6×10)并10串，因模組內任意電芯熱失控后，受影響最大的為其周圍電芯，因此文中選取18(6×3)并3串進行仿真計算。計算模型及電芯標記如圖4所示，圖中箭頭為冷卻風流向。
圖4模組內熱失控擴展計算模型
仿真計算中設定電芯2-9、2-10發生熱失控，分析其他電芯的溫度變化，因計算域為對稱結構，建立四分之一模型進行計算。
在工況1(電池按額定功率持續運行)、工況2(電池系統停止工作，空調機組停運)這兩種工況時熱失控后對其余電芯影響最大。使用Fluent軟件及其DO輻射傳熱模型進行仿真計算，電芯表面與空氣進行共軛傳熱(couple邊界)，熱失控電芯生熱速率通過自含義函數(UDF)含義，其余相關設置見表1。
表1仿真計算相關設置
2.2工況1熱失控擴展特性研究
圖5為電芯2-9開始自生熱1186.5s后模組中第2并電池中間截面空氣溫度分布及速度矢量圖。模組中并聯電芯間距為7mm、2mm間隔排列，2mm間隙中布置有拉桿。冷卻風重要從7mm縫隙中流過，2mm縫隙處幾乎無冷卻風。在高溫電芯(2-9、2-10)表面極薄的一層空氣溫度有明顯變化，遠離電芯表面空氣溫度幾乎無影響。
圖8t=2504.4電芯截面溫度云圖及速度矢量
圖9各單體溫度曲線
由于單體2-9溫度升高，造成2-9周圍空氣溫度升高、密度降低、出現向上的浮升力，空氣向上對流，如圖8所示。向上對流的空氣對與2-9并聯的電芯2-3加熱，以及熱輻射的影響，電芯2-3溫度升高，并出現熱失控。電芯2-3熱失控后，與2-3串聯的1-3溫度升高然后熱失控。與2-9串聯的1-9之所以較1-3后出現熱失控，是因為處于下方的電芯受空氣對流冷卻的效果好于上方電芯，上方電芯周圍空氣溫度明顯高于下方電芯。
工況2的仿真分析表明，某一顆電芯熱失控將會導致與其串聯和間距為2mm的并聯電芯出現熱失控。因7mm間隙中間空氣對流冷卻效果較好，且仿真模型中電芯的數量較少，以上仿真過程中未發現7mm間隙的電芯出現熱失控，但不能排除相距7mm的電芯出現熱失控的可能性，重要原因如下：
（1）工況2的仿真可看出，隨著熱失控電芯數量的新增，空氣對流冷卻的效果變弱，熱失控單體的最高溫度逐漸新增，且發生熱失控單體的間隔時間逐漸變短；
（2）雖然相距7mm間隙的電芯溫度并未達到自生熱溫度，但其溫度值仍在緩慢新增；當相距2mm的并聯電芯及與其串聯的電芯熱失控達到一定數量，相距7mm間的電芯溫度可能達到自生熱溫度；
因此，下一節將分析多個電芯熱失控后對與其間距為7mm的并聯芯及上層電池包的影響。
3多個電池單體熱失控擴展研究
3.1計算物理模型
前面分析發現某一單體熱失控后將會引發與其串聯的電芯及與其間隔2mm的并聯電芯發生熱失控。且現實中由于機械碰撞或外部短路，可能多顆電芯同時熱失控，若有相距7mm的并聯電芯同時熱失控，則必然導致整個模組的熱失控。為了探究多個單體電芯熱失控在模組內的擴展特性，建立了如圖10所示模型，假設模組內某一列電芯同時熱失控(編號為0)，仿真分析與其間隔7mm的并聯電芯是否發生熱失控，同時分析上一層電池包內電芯是否發生熱失控。
圖10電池包間熱失控擴展計算模型
初始條件設定圖10中編號為0的10個單體電芯溫度為80℃，并施加圖3所示的生熱功率。其余電芯初始溫度設定為40℃，無生熱功率，周圍空氣溫度為40℃，其余相關設置參見表1工況2。
3.2熱失控擴展特性
編號為0的10個電芯熱失控1582s后其余電芯溫度見圖11，圖中1～10對應第1列編號為1-1～1-10的10個電芯，11～20對應第2列編號為2-1～2-10的10個電芯，21～26對應上一層電池包編號為3-1～3-6的6個電芯。圖12為中間截面的溫度云圖及速度矢量圖。
圖11t=1582s各電芯溫度
圖12t=1582s電池中間截面溫度云圖及速度矢量
從圖11可知，第1列的10個電芯中除了最下方的2個電芯，其余電芯溫度均達到了自生熱溫度(80℃)。因冷卻空氣從下往上對流過程中溫度不斷升高，1-1～1-8的溫度逐漸增大；因兩個電池包間有較大的間隙，空氣擾動增強了1-9、1-10的冷卻效果(圖12)，其溫度略低于1-8。第2列的10個電芯(2-1～2-10)，溫度較均勻，溫升約為10℃。上層電池包的電芯3-1直接受下層電池包高溫空氣對流加熱及熱失控電芯輻射傳熱的影響，其溫度已超過自生熱溫度。因此，下層電池包熱失控以后將會導致上層電池包的熱失控。
4熱失控擴展阻斷設計方法初探
從電池模組、電池包、電池系統的角度出發，查閱到抑制熱失控擴展的方法有：保證安全的電池間距、設置隔熱層、電芯閥噴導流技術、降低熱失控時內短路釋放的總電能、熱管理系統加強散熱、應急冷卻噴淋技術、防爆泄壓裝置等。大功率混合動力機車動力鋰離子電池系統電池單體數量巨大(達103200個單體)，雖然外形達到2m×4m×2m，但是內部結構依然緊湊，上述方法有些難以工程應用。
電芯閥噴導流技術是將電池熱失控后閥噴的火焰、高溫可燃氣體及顆粒導出到模組或電池包外部，由于混合動力機車電池系統體積、電芯數量龐大，該技術的應用有待研究。研究表明，SOC越低的電池，熱失控放熱量越低，引發失控擴展的概率也越低。但是，有關大功率混合動力鋰離子電池系統，難以精確地控制短路電芯在短時間內放電到安全SOC范圍。
研究表明，有關圓柱形電池，電池間距較大時風冷系統能夠抑制熱失控的擴展。前文仿真計算也發現，在空調機組強迫風冷情況下，當模組內某一顆電芯熱失控后不會引發擴展。文中研究的大功率混合動力機車電池系統可在檢測到有少量電芯熱失控后控制空調機組以最大制冷量對電芯進行強迫冷卻。考慮到管理系統可能無法及時識別電芯熱失控，而將每顆電芯間都設置隔熱層必然不可實現，因此在模組和電池包的層面布置隔熱層，減少受影響的電芯數量。同時在上下電池包間布置應急冷卻噴淋裝置，防止下層電池包熱失控以后引發上層電池包熱失控。若前面措施無法防止大規模熱失控，通過在電池系統布置防爆泄壓閥及將電池系統布置在遠離司機室區域來保障乘務人員安全。
5結論
（1）空調風冷時，模組內單顆電芯熱失控不會引發其他電芯熱失控。
（2）空調停運時，模組內某一單體熱失控以后會引發與其串聯的電芯及與其間距為2mm的并聯電芯熱失控。
（3）模組內一列并聯電芯同時熱失控以后會導致與其間距為7mm的并聯電芯熱失控，以及引發上層電池包的熱失控。
（4）通過在模組間布置隔熱層、電池包間布置應急冷卻裝置、當檢測到某一單體熱失控加強空調冷卻，可抑制大功率混合動力機車電池熱失控后大規模擴展。同時將將電池室布置于遠離司機室，電池系統安裝防爆泄壓裝置，以防前面措施失效并大規模熱失控后保障乘務人員安全。
引用本文：張志鴻,牟俊彥,孟玉發.風冷圓柱形鋰離子電池系統熱失控擴展特性[J].儲能科學與技術,2021,10(02):658-663.
ZHANGZhihong,MOUJunyan,MENGYufa.Thermalrunawaypropagationcharacteristicsofanair-cooledcylindricallithium-ionbatterysystem[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2021,10(02):658-663.
作者簡介：張志鴻（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為動力鋰離子電池集成技術，E-mail：15883233641@163.com。
