風(fēng)冷圓柱形鋰離子電池系統(tǒng)熱失控擴展特性

張志鴻，牟俊彥，孟玉發(fā)

(中車資陽機車有限公司，四川 資陽 641300)

大功率混合動力機車成熟產(chǎn)品及應(yīng)用較少，缺乏安全事故方面數(shù)據(jù)，但是動力汽車行業(yè)已有大量安全事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。近年來汽車動力電池事故均是由于電池組中的某一個電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致周圍電池單體受熱引發(fā)熱失控擴展[1]。熱失控不僅是發(fā)生安全性問題的本質(zhì)原因，也成為了制約鋰離子電池性能表現(xiàn)的短板之一[2-3]。

鋰離子動力電池系統(tǒng)熱失控安全性事故發(fā)生有兩種情況，一種是電池系統(tǒng)長期老化帶來的可靠性降低；另一種是突發(fā)事件造成電池系統(tǒng)損壞[4]。不斷發(fā)展的冷卻技術(shù)和BMS 技術(shù)保證了在正常情況下監(jiān)測電池的安全狀態(tài)，并進行主動保護。但隨著該技術(shù)的復(fù)雜化、設(shè)備老化，系統(tǒng)的可靠性逐漸降低，以及不可預(yù)判的突發(fā)事件，該類技術(shù)不能完全保證電池系統(tǒng)的安全[5]。需要在動力電池系統(tǒng)中應(yīng)用熱失控擴展阻斷技術(shù)，當所有安全防護技術(shù)失效且出現(xiàn)局部單體熱失控后防止引發(fā)其他單體熱失控，從而降低危害和損失。

造成鋰離子動力電池?zé)崾Э厥鹿实挠|發(fā)形式很多，其他觸發(fā)形式的機理分析都離不開對于熱觸發(fā)機理的研究[6]。因此，文中通過指定電池系統(tǒng)內(nèi)單體熱失控，仿真計算電池系統(tǒng)溫度特性，探究模組內(nèi)部、電池包間熱失控傳播特性。

1 單體電池?zé)崾Э靥匦?/h2>

大量實驗研究表明，電池?zé)崾Э剡^程有三個共性的特征溫度：電池自產(chǎn)熱起始溫度(T1)；熱失控觸發(fā)溫度(T2)，溫度達到T2后開始發(fā)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)。

對于磷酸鐵鋰電池T1為80～160 ℃，T2為150～250 ℃[7]，單體絕熱環(huán)境熱失控以后的最高溫度大都不超過500 ℃，圖1為某磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э販囟惹€[8]。

圖1 某磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э谹RC測試溫度曲線[8]Fig.1 Temperature of LFP after thermal runaway obtained by ARC test[8]

在電池質(zhì)量m、比熱容cp已知的情況下，可根據(jù)電池?zé)崾Э販囟惹€(T-t曲線)計算得到電池?zé)崾Э剡^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(chǎn)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?zé)崾Э販囟冗_到最高值前的數(shù)據(jù)。再將提取的離散點通過高斯函數(shù)擬合，擬合函數(shù)見式(2)，函數(shù)曲線見圖2。

圖2 擬合曲線與提取離散點Fig.2 Fitted curve and extracted discrete points

如圖2所示，擬合的函數(shù)曲線與提取值吻合較好。對擬合的溫度函數(shù)式(2)求導(dǎo)得到式(3)

根據(jù)電芯的比熱容、質(zhì)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Fig.3 Heat power of cell with thermal runaway

2 模組內(nèi)電池?zé)崾Э財U展研究

此次研究的大功率圓柱形鋰離子動力電池系統(tǒng)采用空調(diào)風(fēng)冷，動力電池工作時空調(diào)機組運行將電池室內(nèi)冷卻循環(huán)空氣中的熱量帶走，保證電池在合理溫度范圍；動力電池停止工作時空調(diào)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(nèi)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(fēng)流向。

圖4 模組內(nèi)熱失控擴展計算模型Fig.4 Calculation model for thermal runaway propagation in module

仿真計算中設(shè)定電芯2-9、2-10 發(fā)生熱失控，分析其他電芯的溫度變化，因計算域為對稱結(jié)構(gòu)，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(xù)運行)、工況2(電池系統(tǒng)停止工作，空調(diào)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定義函數(shù)(UDF)定義，其余相關(guān)設(shè)置見表1。

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1186.5 s 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(lián)電芯間距為7 mm、2 mm 間隔排列，2 mm 間隙中布置有拉桿。冷卻風(fēng)主要從7 mm 縫隙中流過，2 mm 縫隙處幾乎無冷卻風(fēng)。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。

表1 仿真計算相關(guān)設(shè)置Table 1 Some settings related to simulation

圖5 t=1186.5 s電芯溫度分布云圖及速度矢量圖Fig.5 Temperature distribution and velocity distribution of cell at 1186.5 s

圖6 為各單體溫度曲線。電芯2-9 給定初始溫度80 ℃，其余電芯初始溫度為42 ℃。857.8 s 后電芯2-9 溫度為104.4 ℃，并未達到絕熱測試中的熱失控觸發(fā)溫度(150～250 ℃[7])，電芯2-9 不會發(fā)生熱失控。因定義了電芯2-9 生熱功率為絕熱測試的熱功率，電芯2-9 的溫度仍然驟升。但由于傳熱的影響，電芯2-9最高溫度為340 ℃，低于絕熱熱失控的最高溫度500 ℃。

圖7 為各單體溫度曲線放大圖，因電芯2-9 溫度升高，導(dǎo)致其周圍電芯溫度升高，但所有電芯溫度均低于自生熱溫度(80～160 ℃[7])。單體2-15、1-9溫度最高，其次為電芯2-3、1-15。因冷卻風(fēng)對電芯2-9 冷卻后，溫度升高，從而加熱了下游的電芯2-15，同時電芯2-9通過電池底座熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致電芯1-9 的溫度也明顯升高。電芯1-9 溫度升高后又造成電芯1-15溫度略微升高。電芯2-3雖然與熱失控電池2-9 很近，因處在電芯2-9 的上游，受空調(diào)風(fēng)冷的作用，其溫度較2-15、1-9 低，其熱源主要來自熱輻射。電芯2-8 雖然在2-9 旁邊，但間隙為7 mm，空調(diào)風(fēng)冷效果較好，其溫度也僅略微增加。其他區(qū)域電芯溫度近乎保持不變。

圖6 各單體溫度曲線Fig.6 Transient temperature of each cells

圖7 各單體溫度曲線放大圖Fig.7 Zoom in of transient temperature of each cells

在空調(diào)通風(fēng)冷卻情況下，少量電芯由于某種原因造成自生熱的熱量被冷卻風(fēng)帶走，電芯不會因為熱量累計使得其溫度達到熱失控觸發(fā)溫度，熱失控將得到抑制。即使某顆電芯發(fā)生了熱失控也不會引發(fā)其他電芯熱失控，造成熱失控擴展。

2.3 工況2熱失控擴展特性研究

動力電池系統(tǒng)停止工作、空調(diào)停機時單體2-9熱失控2504.4 s后模組中第2并電池中間截面空氣溫度分布及速度矢量見圖8，圖9 為各單體溫度曲線。

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、產(chǎn)生向上的浮升力，空氣向上對流，如圖8 所示。向上對流的空氣對與2-9 并聯(lián)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(xiàn)熱失控。電芯2-3 熱失控后，與2-3串聯(lián)的1-3溫度升高然后熱失控。與2-9串聯(lián)的1-9 之所以較1-3 后出現(xiàn)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。

圖8 t=2504.4電芯截面溫度云圖及速度矢量Fig.8 Temperature distribution and velocity distribution of cell at 2504.4 s

圖9 各單體溫度曲線Fig.9 Transient temperature of each cells

工況2的仿真分析表明，某一顆電芯熱失控將會導(dǎo)致與其串聯(lián)和間距為2 mm的并聯(lián)電芯出現(xiàn)熱失控。因7 mm 間隙中間空氣對流冷卻效果較好，且仿真模型中電芯的數(shù)量較少，以上仿真過程中未發(fā)現(xiàn)7 mm間隙的電芯出現(xiàn)熱失控，但不能排除相距7 mm 的電芯出現(xiàn)熱失控的可能性，主要原因如下：

（1）工況2的仿真可看出，隨著熱失控電芯數(shù)量的增加，空氣對流冷卻的效果變?nèi)?，熱失控單體的最高溫度逐漸增加，且發(fā)生熱失控單體的間隔時間逐漸變短；

（2）雖然相距7 mm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增加；當相距2 mm 的并聯(lián)電芯及與其串聯(lián)的電芯熱失控達到一定數(shù)量，相距7 mm間的電芯溫度可能達到自生熱溫度；

因此，下一節(jié)將分析多個電芯熱失控后對與其間距為7 mm的并聯(lián)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(fā)現(xiàn)某一單體熱失控后將會引發(fā)與其串聯(lián)的電芯及與其間隔2 mm的并聯(lián)電芯發(fā)生熱失控。且現(xiàn)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7 mm的并聯(lián)電芯同時熱失控，則必然導(dǎo)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(nèi)的擴展特性，建立了如圖10 所示模型，假設(shè)模組內(nèi)某一列電芯同時熱失控(編號為0)，仿真分析與其間隔7 mm的并聯(lián)電芯是否發(fā)生熱失控，同時分析上一層電池包內(nèi)電芯是否發(fā)生熱失控。

圖10 電池包間熱失控擴展計算模型Fig.10 Calculation model for thermal runaway propagation in pack

初始條件設(shè)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(shè)定為40 ℃，無生熱功率，周圍空氣溫度為40 ℃，其余相關(guān)設(shè)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1582 s后其余電芯溫度見圖11，圖中1～10 對應(yīng)第1 列編號為1-1～1-10的10個電芯，11～20對應(yīng)第2列編號為2-1～2-10的10個電芯，21～26對應(yīng)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11 t=1582 s各電芯溫度Fig.11 Temperature of each cells at 1582 s

圖12 t=1582 s電池中間截面溫度云圖及速度矢量Fig.12 Temperature distribution and velocity distribution of each cell at 1582 s

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(dǎo)致上層電池包的熱失控。

4 熱失控擴展阻斷設(shè)計方法初探

從電池模組、電池包、電池系統(tǒng)的角度出發(fā)，查閱到抑制熱失控擴展的方法有：保證安全的電池間距[8-9]、設(shè)置隔熱層[7]、電芯閥噴導(dǎo)流技術(shù)[10]、降低熱失控時內(nèi)短路釋放的總電能[7]、熱管理系統(tǒng)加強散熱[1]、應(yīng)急冷卻噴淋技術(shù)[1,10]、防爆泄壓裝置等[10]。大功率混合動力機車動力電池系統(tǒng)電池單體數(shù)量巨大(達103200 個單體)，雖然外形達到2 m×4 m×2 m，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)依然緊湊，上述方法有些難以工程應(yīng)用。

電芯閥噴導(dǎo)流技術(shù)是將電池?zé)崾Э睾箝y噴的火焰、高溫可燃氣體及顆粒導(dǎo)出到模組或電池包外部，由于混合動力機車電池系統(tǒng)體積、電芯數(shù)量龐大，該技術(shù)的應(yīng)用有待研究。研究表明[11]，SOC越低的電池，熱失控放熱量越低，引發(fā)失控擴展的概率也越低。但是，對于大功率混合動力電池系統(tǒng)，難以精確地控制短路電芯在短時間內(nèi)放電到安全SOC范圍。

研究表明，對于圓柱形電池，電池間距較大時風(fēng)冷系統(tǒng)能夠抑制熱失控的擴展[12]。前文仿真計算也發(fā)現(xiàn)，在空調(diào)機組強迫風(fēng)冷情況下，當模組內(nèi)某一顆電芯熱失控后不會引發(fā)擴展。文中研究的大功率混合動力機車電池系統(tǒng)可在檢測到有少量電芯熱失控后控制空調(diào)機組以最大制冷量對電芯進行強迫冷卻。考慮到管理系統(tǒng)可能無法及時識別電芯熱失控，而將每顆電芯間都設(shè)置隔熱層必然不可實現(xiàn)，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(shù)量。同時在上下電池包間布置應(yīng)急冷卻噴淋裝置，防止下層電池包熱失控以后引發(fā)上層電池包熱失控。若前面措施無法避免大規(guī)模熱失控，通過在電池系統(tǒng)布置防爆泄壓閥及將電池系統(tǒng)布置在遠離司機室區(qū)域來保障乘務(wù)人員安全。

5 結(jié) 論

（1）空調(diào)風(fēng)冷時，模組內(nèi)單顆電芯熱失控不會引發(fā)其他電芯熱失控。

（2）空調(diào)停運時，模組內(nèi)某一單體熱失控以后會引發(fā)與其串聯(lián)的電芯及與其間距為2 mm的并聯(lián)電芯熱失控。

（3）模組內(nèi)一列并聯(lián)電芯同時熱失控以后會導(dǎo)致與其間距為7 mm的并聯(lián)電芯熱失控，以及引發(fā)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(yīng)急冷卻裝置、當檢測到某一單體熱失控加強空調(diào)冷卻，可抑制大功率混合動力機車電池?zé)崾Э睾蟠笠?guī)模擴展。同時將將電池室布置于遠離司機室，電池系統(tǒng)安裝防爆泄壓裝置，以防前面措施失效并大規(guī)模熱失控后保障乘務(wù)人員安全。