鋰離子動力電池系統(tǒng)熱失控抑制技術(shù)和熱防護設(shè)計綜述*

李愷翔 王珺瑤 李士戎

（1.廣州汽車集團汽車工程研究院，廣東廣州 511436；2.廣汽埃安新能源汽車有限公司，廣東廣州 511436；3.中山大學(xué)低碳科技與經(jīng)濟研究中心，廣東廣州 510006；4.山西省消防救援總隊，山西太原 030001）

0.引言

安全性是電動汽車動力電池設(shè)計的核心性能之一，隨著電動汽車保有量的快速增長，電池安全事故明顯增加，成為社會關(guān)注熱點。中國電動汽車百人會（China EV100）研究統(tǒng)計結(jié)果-《2019電動汽車安全報告》、中國新能源汽車評價規(guī)程（CEVE）發(fā)布的《2019年動力電池安全性研究報告》以及新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟（NDANEV）發(fā)布的《新能源汽車國家監(jiān)管平臺大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報告》均指出由動力電池?zé)崾г斐傻臒囀鹿食蔬B年上升趨勢，電池安全問題成為制約新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1-3]。國標(biāo)《電動汽車用動力蓄電池安全要求》也對動力電池?zé)岚踩雷o提出了強制要求[4]。

當(dāng)前電動汽車動力電池系統(tǒng)持續(xù)向高比能量和集成化發(fā)展為電池安全設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。當(dāng)前電池材料體系無重大突破，即電池本征安全短時間內(nèi)無法明顯改善，為滿足電池安全性能要求必須對電池系統(tǒng)進行合理的熱防護設(shè)計或應(yīng)用熱失控抑制手段。本文通過總結(jié)梳理現(xiàn)有電池系統(tǒng)熱防護設(shè)計思路，針對不同電芯熱擴散路徑和熱失控特點，從電芯間熱防護、模組間熱防護和電池系統(tǒng)整包熱防護3個層面解析了熱防護材料和熱設(shè)計方案。此外還綜合評估了緊急冷卻、全氟己酮噴射、氣溶膠和冷媒直冷等熱失控抑制技術(shù)在電池系統(tǒng)上的應(yīng)用。

1.電池系統(tǒng)熱防護設(shè)計

1.1 電芯間熱防護設(shè)計

如圖1所示目前消費類鋰離子電芯主要有扣式、圓柱形、薄板型（軟包）、方形4種形式，其中電動汽車主要用到的是圓柱形、薄板型（軟包）、方形電芯，根據(jù)電芯形式不同，需針對性設(shè)計電芯間熱防護方案。

圖1 各類型鋰離子電芯

圓柱電池一般采用極片卷繞方式，由于體表面積較大，散熱性能要優(yōu)于方型電池[5]。此外，圓柱形電池可依據(jù)具體需求而進行多種形式的組合，便于電池包空間的充分布局。圓柱形電池的電芯間熱防護方案一般采用灌封膠或結(jié)構(gòu)膠如圖2（a）中灰色部分所示。每個電芯周圍使用阻燃結(jié)構(gòu)膠材料進行填充，當(dāng)某個電芯發(fā)生熱失控后熱量被約束在熱失控電芯內(nèi)，避免擴散至周圍電芯從而阻斷熱失控連鎖反應(yīng)。除阻燃結(jié)構(gòu)膠的方案外，還有學(xué)者利用石墨石蠟復(fù)合相變材料（EG/PCM）對圓柱電池進行熱防護的相關(guān)研究[6-9]。通過熱負(fù)荷計算利用相應(yīng)數(shù)量相變材料的相變潛熱來吸收熱失控能量，石蠟材料發(fā)生相變以穩(wěn)定熱失控電芯周圍溫度。此外研究者將石蠟與膨脹石墨進行復(fù)合，經(jīng)過壓制工藝做成板狀膨脹石墨石蠟復(fù)合材料，以解決石蠟導(dǎo)熱性能差以及相變后變成液體流動的問題。

方形電池內(nèi)部采用卷繞式或疊片式工藝，對電芯的保護作用優(yōu)于軟包電池，其頂部端蓋一般設(shè)計有防爆閥和翻轉(zhuǎn)片，電芯安全性相對圓柱型電池也有了較大改善。方形電池的電芯間熱防護方案一般采用在電芯大面布置隔熱墊方案[10]，如圖2（c）中粉色部分所示。隔熱墊材質(zhì)一般使用預(yù)氧絲或陶瓷纖維氣凝膠，配合硅膠框和PET（Polyethylene Glycol Terephthalate）膜封裝。需要注意的是由于方形模組一般為固定長度（如355/390/590標(biāo)準(zhǔn)模組），隔熱墊總厚度受模組內(nèi)電芯數(shù)量限制。例如在3P6S 18電芯的模組內(nèi)，預(yù)留隔熱墊總厚度為17mm，可在每顆電芯間布置1mm厚度隔熱墊，亦可每3顆電芯布置一個厚度為3.4mm的隔熱墊，通過熱失控仿真或驗證測試可比較不同方案在熱擴散速率和熱失控節(jié)奏的差異，通過隔熱墊布置方案優(yōu)化熱擴散結(jié)果。

軟包電池以鋁塑膜為外包裝，一般采用疊層工藝。與方形電池相比，軟包電池具有設(shè)計靈活、重量輕、內(nèi)阻小、不易爆炸、能量密度高等特點。軟包電池電芯間熱防護方案與方形電芯類似，但是由于軟包電芯充放過程中膨脹現(xiàn)象較明顯，隔熱墊回彈性能較為局限需輔以支撐泡棉材料，如圖2（c）中黑色部分所示。

圖2 不同電芯的電池模組結(jié)構(gòu)

1.2 電池模組間熱防護設(shè)計

如圖3所示，電池模組由若干電芯串并聯(lián)組成，電池系統(tǒng)由若干模組串并聯(lián)組成。設(shè)計電池系統(tǒng)熱防護思路優(yōu)先考慮將熱擴散控制在熱失控觸發(fā)電芯或幾個相鄰電芯范圍內(nèi)，若熱擴撒無法在電芯間控制則需將熱量約束在熱失控模組內(nèi)，避免模組間熱擴散造成大規(guī)模熱失控。

圖3 電池系統(tǒng)的組成

熱失控模組產(chǎn)生的熱量對相鄰電池形成了“外部高溫環(huán)境”，模組間熱失控主要通過在模組之間填充和布置隔熱材料，可采用云母板、玻璃纖維、陶瓷板、巖棉板、陶瓷化硅橡膠[11]、氣凝膠、高硅氧布等材料制作隔熱層，設(shè)計模組間隔熱墊、模組罩等熱防護件。電池模組間一般相互獨立（無直接接觸），熱量主要通過對流和熱輻射方式傳播，如圖4所示，模組防護罩等熱防護件可有效避免熱失控高溫?zé)煔鈱ο噜從＝M的沖擊和炙烤，保證相鄰模組溫度保持在熱失控起始溫度T1以下，阻止熱失控進一步發(fā)展。

圖4 電池模組防護罩

1.3 電池系統(tǒng)整包熱防護設(shè)計

1.3.1 電池殼體防護

隨著電芯能量密度的發(fā)展，熱失控最高溫度和高溫氣流沖擊強度均隨之上升，以正極某811材料的高比能電池?zé)崾Э貫槔罡邷囟瓤蛇_(dá)1200℃，熱失控瞬間建立的氣壓強度可達(dá)1MPa[12]。作為電池包覆蓋件的上殼體無法承受如此高溫和壓力，高溫火焰沖擊下可以迅速燒穿電池包外殼，引燃車身，嚴(yán)重威脅乘員安全。為保證電池殼體熱失控防護效果，殼體熱防護設(shè)計一般采用芳綸、玻纖等高強度纖維復(fù)合陶瓷硅橡膠或超級棉等隔熱材料進行貼合。復(fù)合材料的編織層可充分吸收高溫?zé)煔鉀_擊，同時隔熱層可阻止熱量向電池包外傳導(dǎo)，保障乘員艙安全。

1.3.2 電池系統(tǒng)尼龍水管及電器連接防護

電池發(fā)生熱失控，常常伴隨著高溫氣體的噴出。由于噴氣氣流速度快、溫度高，電池內(nèi)部材料會隨氣流一起噴出造成電池系統(tǒng)附件如尼龍水管迅速遭到破壞[13]。而熱失控抑制策略中緊急水冷需要持續(xù)通入低溫冷卻液（水-乙二醇溶液）對熱失控電芯進行冷卻，為避免水冷系統(tǒng)漏液失效需對尼龍水管進行熱防護設(shè)計，一般采用隔熱橡膠管套進行保護如圖5（a）所示，驗證實驗結(jié)果表明帶有熱防護件的尼龍水管可在電池系統(tǒng)熱失控過程中保證冷卻水持續(xù)循環(huán)而不發(fā)生漏液，此外還可避免由漏液造成的如絕緣失效等次生災(zāi)害。

除水管防護外，在電器連接方面還需考慮對模組間的連接銅排進行熱防護設(shè)計。高溫?zé)煔庵械奶蓟w粒會使空氣絕緣性能大幅降低造成絕緣失效，同時熱失控時產(chǎn)生的金屬熔融物（主要是由極片燃燒產(chǎn)生的鋁和銅碎屑）附著在銅排連接處造成直接短路和拉弧現(xiàn)象。高能電弧的產(chǎn)生又會點燃可燃蒸汽（主要是電解液蒸汽）造成更大范圍和更嚴(yán)重的熱失效問題。銅排的防護方案一般使用陶瓷化硅橡膠對傳統(tǒng)絕緣層進行替代，或使用云母膠帶在銅排表面纏繞包裹，如圖5（b）所示。

圖5 電池系統(tǒng)附件熱防護

1.3.3 高溫?zé)煔夤芸?/p>

除熱量阻隔外，電池包整包熱防護設(shè)計還需考慮熱失控高溫?zé)煔饬鲃拥目刂?，避免熱量隨高溫?zé)煔鉄o序擴散和蔓延[14-15]。煙氣控制一般是通過預(yù)設(shè)在電池包內(nèi)的煙氣流道，經(jīng)過分流、導(dǎo)流、換流方式將熱失控高溫?zé)煔獍凑疹A(yù)設(shè)路徑排出電池包，同時滿足煙氣降溫、降壓、阻燃的目標(biāo)。

除煙氣管控外還需考慮高溫?zé)煔獾娜紵龁栴}，解決煙氣燃燒主要從混合煙氣中氧氣比例即燃燒極限出發(fā)。可燃?xì)怏w在一定的濃度范圍內(nèi)和在著火溫度下才能進行穩(wěn)定的燃燒，這種極限濃度稱為燃燒極限。當(dāng)?shù)陀谙孪藁蚋哂谏舷逎舛葧r均不能著火燃燒。電池?zé)崾Э爻跗诋a(chǎn)生的煙氣一般為過濃煙氣，為合理管控?zé)崾Э責(zé)煔庑鑼α鞯篮碗姵匕鼩んw防爆閥進行優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)避免包外燃燒，當(dāng)煙氣通過防爆閥排到電池包外部與外部空氣中的氧氣充放混合，此時煙氣濃度處于燃燒極限內(nèi)，極易發(fā)生爆燃現(xiàn)象，通過防爆閥上或流道內(nèi)的蜂窩狀煙氣過濾裝置可有效屏蔽火星并阻止火焰外溢；避免包內(nèi)燃燒，由于熱失控存在一定節(jié)奏性（熱擴散過程中的時間間隔），2次熱失控期間包內(nèi)溫度壓力下降，包外空氣回進入電池包內(nèi)使包內(nèi)煙氣混合到燃燒極限內(nèi)引發(fā)二次燃燒。通過設(shè)計可多次閉合的電池包泄壓閥可實現(xiàn)正壓阻氧功能，有效解決上述問題。

2.電池系統(tǒng)熱失控抑制技術(shù)

2.1 熱失控緊急冷卻

熱失控緊急冷卻策略是指電池系統(tǒng)借助其固有的熱管理系統(tǒng)如水冷板、蒸發(fā)器等對熱失控電芯進行快速冷卻的技術(shù)[16]。當(dāng)BMS系統(tǒng)檢測到熱失控?zé)崾录缶盘?，VCU控制開啟整車?yán)鋮s回路，以水泵或壓縮機以最大功率運行，通過循環(huán)水或空調(diào)冷媒帶走熱失控產(chǎn)生的熱量，避免整包熱擴散發(fā)生。此外還有研究通過改制冷媒直冷電池包內(nèi)的蒸發(fā)器，設(shè)計了動力電池組直冷噴注超冷疏氧應(yīng)急方案[17]。研究結(jié)果表明噴注制冷劑于熱失控電池可達(dá)到明顯的降溫、疏氧作用，使熱失控電池溫度急劇下降，抑制有氧燃燒。此外通過優(yōu)化噴射策略，采用間歇噴注可延展降溫性，有效提升疏氧性。

2.2 熱失控滅火系統(tǒng)

2.2.1 滅火劑選型

汽車電池系統(tǒng)和電子電器行業(yè)普遍使用的有3類滅火劑，針對電池?zé)崾Э貓鼍爸攸c對比以七氟丙烷為代表的氣體滅火劑、以全氟己酮為代表的液體滅火劑、以干粉氣溶膠為代表的干粉氣溶膠。

（1）七氟丙烷滅火劑，七氟丙烷化學(xué)式為C3HF7，是一種較為理想的阻燃?xì)怏w。七氟丙烷的滅火機理屬于化學(xué)滅火的范疇，通過滅火劑的熱分解產(chǎn)生含氟的自由基，與燃燒反應(yīng)過程中產(chǎn)生支鏈反應(yīng)的H、OH-、O2-活性自由基發(fā)生氣相作用，從而抑制燃燒過程中化學(xué)反應(yīng)來實施滅火。

七氟丙烷滅火系統(tǒng)的優(yōu)點：具有良好的滅火效率，滅火所需混合濃度（8%～10%）也較低。

七氟丙烷滅火系統(tǒng)的缺點：大量的實驗證明，含氟鹵代烷滅火劑在滅火現(xiàn)場的高溫下，會產(chǎn)生大量的氟化氫（HF）氣體，經(jīng)與氣態(tài)水結(jié)合，形成有強烈酸蝕作用的氫氟酸[18]。此外，七氟丙烷氣體的儲存壓力為2MPa～4MPa，要求噴嘴的工作壓力為不小于0.8MPa，在車載場景需額外配置高壓儲存容器。

（2）干粉氣溶膠滅火劑，通過產(chǎn)生大量的固體微粒在空間內(nèi)形成氣溶膠，達(dá)到快速高效抑制火焰的目的。溶膠是利用固體微粒在高溫下產(chǎn)生金屬陽離子與燃燒反應(yīng)過程中產(chǎn)生活性自由基團發(fā)生反應(yīng)，以切斷化學(xué)反應(yīng)的燃燒鏈，抑制燃燒反應(yīng)的進行，達(dá)到化學(xué)滅火的效果[19]。同時利用固體微粒（主要為鉀鹽）分解過程中產(chǎn)生的水來吸熱降溫。

氣溶膠滅火裝置的優(yōu)點：氣溶膠成本較低且滅火劑由于粒度小，可隨熱流擴散到達(dá)在起火位置，可用于相對密閉空間。

氣溶膠滅火裝置的缺點：產(chǎn)物為氣、固兩相流，在電池包內(nèi)中需多點布置且靠近電池模組位置，會占用一定電池包空間。此外，因其產(chǎn)物中的金屬陽離子容易于水結(jié)合生成堿性氧化物，并發(fā)生電離，導(dǎo)致電氣設(shè)備受到污染和破壞[20]。

（3）全氟己酮滅火劑，全氟己酮滅火劑在常溫下是一種無色、無味、透明、絕緣的一種液體，全氟己酮化學(xué)式為C6F12O，是一種較為理想的液體滅火劑。全氟己酮的滅火機理：全氟己酮在常溫下是液體，受熱易汽化并以氣態(tài)存在，依靠蒸發(fā)吸熱達(dá)到降溫滅火的效果[21]。

全氟己酮具有在環(huán)境保護、毒性特征和滅火性能等方面的突出優(yōu)點。因為全氟己酮常溫下是液體，可以在常壓狀態(tài)下安全地使用普通容器在較寬的溫度范圍內(nèi)儲存和運輸，非常適合車載應(yīng)用場景。

綜上所述，綜合考慮環(huán)保、毒性、儲存和滅火降溫效果，以新能源大巴車為代表的動力電池系統(tǒng)普遍使用全氟己酮作為電池?zé)崾Э匾种苿┻M行系統(tǒng)設(shè)計。

2.2.2 滅火系統(tǒng)整包集成設(shè)計

如圖6所示，全氟己酮滅火系統(tǒng)主要由控制器、傳感器、儲液罐、電磁閥和噴頭組成。當(dāng)電池包內(nèi)傳感器感應(yīng)到溫度上升、電壓下降、電池包壓力變化等熱失控特征，隨即觸發(fā)熱事件報警并對儲液罐加壓推進全氟己酮噴射，在0.2s內(nèi)對熱失控電芯進行噴淋降溫，避免熱擴散發(fā)生。通過整包熱失控驗證測試，證明全氟己酮抑制劑可有效阻斷電芯間熱擴散。全程熱失控測試過程中未出現(xiàn)包外明火，說明抑制劑可以有效降低熱失控電芯及周邊的溫度，有效降低煙氣溫度及惰化煙氣。

圖6 全氟己酮噴射系統(tǒng)示意圖

3.總結(jié)

安全是汽車設(shè)計時必須且優(yōu)先考慮的要素，而電池安全是新能源汽車安全性的關(guān)鍵。電池系統(tǒng)熱防護設(shè)計需根據(jù)其電芯熱失控特點和熱擴散路徑，在電芯間模組間和整包熱防護3個層面進行設(shè)計。電芯間熱防護可有效控制熱擴散速率，結(jié)合熱失控抑制策略，將熱失控范圍控制在最小能量單元；模組間熱防護可延緩或阻止模組間熱擴散的發(fā)生，避免發(fā)生大規(guī)模無序的熱失控；此外合理的排煙通道設(shè)計能夠疏導(dǎo)火焰和高溫噴射物，避免熱擴散和二次燃燒。當(dāng)單純的熱防護設(shè)計無法滿足電池安全需求時還需考慮加入包括緊急冷卻和滅火系統(tǒng)在內(nèi)的熱失控抑制手段。通過水冷或冷媒直冷系統(tǒng)持續(xù)“搬運”熱量，為即將熱失控的電芯快速降溫，阻止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；通過全氟己酮等滅火劑噴射系統(tǒng)對已發(fā)生熱失控的電芯進行滅火和降溫，同時通過蒸發(fā)混合后惰化高溫?zé)煔猓苊怆姵匕鼉?nèi)和包外的煙氣燃燒現(xiàn)象。本文分析對比了現(xiàn)有和前瞻的各類熱防護和熱失控抑制策略，通過優(yōu)化組合可最大程度上避免或阻止熱失控事故的發(fā)生，提升電池系統(tǒng)安全性能，同時也為工程應(yīng)用和設(shè)計開發(fā)者提供了參考。