均布模組式動(dòng)力電池包熱失控典型模式分析*

陳吉清，冼浩嵐，蘭鳳崇

（1. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641；2. 華南理工大學(xué)，廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510641）

前言

近年來電動(dòng)汽車火災(zāi)事故頻發(fā)加劇了消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車安全性的擔(dān)憂，影響了電動(dòng)汽車的進(jìn)一步發(fā)展和推廣。熱失控是指電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象。電池單體熱失控及其在電池包內(nèi)擴(kuò)散是導(dǎo)致電動(dòng)汽車火災(zāi)事故的重要原因。產(chǎn)生電池?zé)崾Э氐脑蛲ǔ？煞譃闄C(jī)械濫用、電濫用和熱濫用3種。在濫用條件下電池單體會(huì)發(fā)生一系列放熱反應(yīng)，熱量的累積會(huì)加速放熱反應(yīng)的進(jìn)行，隨后發(fā)生熱失控，導(dǎo)致電池單體噴發(fā)大量射流體并起火燃燒。目前關(guān)于熱失控研究主要分電池單體熱失控、模組熱失控?cái)U(kuò)散和熱失控防護(hù)3個(gè)大類。

電池單體熱失控研究主要包括不同外部濫用條件下電池單體熱失控行為特性、不同內(nèi)部因素（電池材料、荷電狀態(tài)等）對(duì)熱失控特性影響和電池單體熱失控氣體特性等方面，如Kong 等建立了電池三維模型，以研究不同電池材料、外部加熱條件和散熱條件對(duì)電池?zé)崾Э匦袨榈挠绊憽＝Y(jié)果表明，不同正極材料的電池具有不同的熱安全性和穩(wěn)定性，增加空氣流速和降低環(huán)境溫度有助于電池保持穩(wěn)定狀態(tài)；陳吉清等對(duì)電池單體在熱失控時(shí)的起火燃燒過程進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，準(zhǔn)確地模擬出電池燃燒時(shí)冒煙、起火、劇烈燃燒和熄滅的火情演變過程；趙春朋對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)熱分布規(guī)律和產(chǎn)氣特性進(jìn)行研究，電池?zé)崾Э氐目偖a(chǎn)氣量隨電池荷電狀態(tài)的升高而增大，可燃?xì)怏w的含量增大，危險(xiǎn)性變大，利用環(huán)境壓力的變化可判定電池?zé)崾Э氐奈ｋU(xiǎn)程度。

目前關(guān)于動(dòng)力電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)散研究主要有擴(kuò)散機(jī)理、擴(kuò)散行為特性和擴(kuò)散影響因素等方面，如Feng等建立了基于能量平衡方程的三維熱失控?cái)U(kuò)散模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性，提出了提高電池的熱失控觸發(fā)溫度、減少電池的總電能、提高散熱水平和在相鄰電池之間增加隔熱層等延遲或阻止熱失控?cái)U(kuò)散的途徑；Said 等利用電加熱器加熱引發(fā)熱失控的方式研究采用不同正極材料的鋰離子電池在空氣和氮?dú)庵械臄U(kuò)散規(guī)律，結(jié)果表明，磷酸鐵鋰電池?zé)岱€(wěn)定性最好，電池模組在空氣中的熱失控?cái)U(kuò)散比在氮?dú)庵锌?；Li 等研究不同荷電狀態(tài)對(duì)電池模組熱失控?cái)U(kuò)散的影響，100%荷電狀態(tài)的電池模組表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的燃燒行為，高荷電狀態(tài)電池模組比低荷電狀態(tài)模組擴(kuò)散速度更快，低荷電狀態(tài)可以顯著降低電池模組的熱失控及其擴(kuò)散的危害。

動(dòng)力電池?zé)崾Э胤雷o(hù)研究主要從電池安全材料、電池單體成組設(shè)計(jì)、熱管理系統(tǒng)和熱失控后的滅火降溫安全設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，如歐陽東旭研究了4種貧鈷或無鈷的正極材料的熱穩(wěn)定性，LFP和LMFP正極材料熱穩(wěn)定性更高，兩者的反應(yīng)活性受荷電狀態(tài)影響較??；Wilke等研究相變熱管理系統(tǒng)在針刺條件下的熱失控防護(hù)效果。結(jié)果表明，相變復(fù)合材料可以有效阻隔熱失控?cái)U(kuò)散；齊創(chuàng)等研究不同隔熱材料和對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)電池模組熱失控?cái)U(kuò)散行為的影響，結(jié)果表明隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，模組熱失控?cái)U(kuò)散時(shí)間越短，對(duì)流換熱系數(shù)越大，模組熱失控?cái)U(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)；Zhang 等設(shè)計(jì)了相變材料、液冷和熱管混合的熱管理系統(tǒng)，并對(duì)其影響因素進(jìn)行靈敏度分析與優(yōu)化，優(yōu)化后的系統(tǒng)具有防止熱失控?cái)U(kuò)散 的 作 用；Yuan 等用 不 同 的 材 料 填 充 由11 個(gè)18650 電池單體組成的模組間隙，通過電熱絲加熱觸發(fā)熱失控，并建立基于有限體積法的熱失控?cái)U(kuò)散模型，仿真結(jié)果表明，不同材料對(duì)鄰近電池單體的保護(hù)作用有顯著差異，電池模組安全設(shè)計(jì)應(yīng)考慮阻隔電池單體之間傳熱路徑；高青等提出一種動(dòng)力電池應(yīng)急熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用高壓制冷劑直接噴射到過熱電池表面使之迅速汽化而吸收大量熱，達(dá)到防止熱失控發(fā)生的效果，并搭建試驗(yàn)臺(tái)分析噴射時(shí)長(zhǎng)、噴射占空比和噴射頻率對(duì)冷卻能力的影響，結(jié)果表明，延長(zhǎng)噴射時(shí)間和增加噴射頻率可提高系統(tǒng)的冷卻能力。

目前關(guān)于電池單體熱失控和電池模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散行為的研究較為成熟，現(xiàn)有熱失控?cái)U(kuò)散研究工作多集中于模組內(nèi)電池單體之間的熱失控?cái)U(kuò)散行為特性及其影響因素研究，忽略了電池模組之間的熱失控?cái)U(kuò)散行為具有更高的危險(xiǎn)性。電池模組是電池包內(nèi)相對(duì)獨(dú)立的模塊化單元，通常著重研究模組內(nèi)的熱失控行為和規(guī)律，相鄰模組之間的熱失控?cái)U(kuò)散行為規(guī)律還有待探索。實(shí)際事故案例顯示，某個(gè)電池單體熱失控會(huì)使電池包內(nèi)多個(gè)模組相繼或同時(shí)發(fā)生熱失控，因此相鄰電池模組間的熱失控?cái)U(kuò)散行為不容忽視。本文中開展均布模組熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)，總結(jié)梳理均布模組式動(dòng)力電池包熱失控的典型模式，分析電池模組間熱失控?cái)U(kuò)散行為特性和熱流傳遞規(guī)律，剖析電動(dòng)汽車火災(zāi)事故真實(shí)案例的電池包熱失控全過程，基于真實(shí)事故案例和均布模組熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所提出的熱失控典型模式。

1 均布模組式電池包

為適配不同電動(dòng)汽車的續(xù)航里程、驅(qū)動(dòng)形式和空間設(shè)計(jì)等需求，各大汽車廠商開發(fā)出模組排布、電池包外殼形狀和安裝位置各異的動(dòng)力電池包。目前常用的電池包結(jié)構(gòu)形式主要有分布箱體式、層疊模組式和均布模組式，如圖1 所示。分布箱體式電池包通過布置在車輛不同位置的幾個(gè)相同或結(jié)構(gòu)近似的標(biāo)準(zhǔn)箱體電池包串并聯(lián)形成電池系統(tǒng)，具有布置靈活、安裝位置多樣等特點(diǎn)，多用于電動(dòng)商用車；層疊模組式電池包一般具有2 層及以上結(jié)構(gòu)，全部或部分模組層疊布置，具有結(jié)構(gòu)緊湊，形狀多樣等特點(diǎn)；均布模組式電池包通常為單層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部每個(gè)電池模組按照一定的順序均勻地布置在電池包內(nèi)，電池包扁平化程度更高，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于布置和良好的散熱能力等優(yōu)勢(shì)。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)形式

目前廣泛采用的動(dòng)力電池包一般為均布模組式電池包，如圖2 所示。通常布置在電動(dòng)汽車底部，能節(jié)省空間，最大化地滿足動(dòng)力電池包性能的要求，同時(shí)提高電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)緊湊性和輕量化水平，是未來電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包布置形式的發(fā)展趨勢(shì)之一。

圖2 均布模組式電池包

2 均布模組熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)對(duì)象與試驗(yàn)方案

均布模組式動(dòng)力電池包一般含有兩個(gè)及以上電池模組，模組排列和布局?jǐn)?shù)量較大，熱失控?cái)U(kuò)散時(shí)的危險(xiǎn)程度高。均布模組式動(dòng)力電池包的模組熱失控?cái)U(kuò)散的基本單元為2 個(gè)電池模組（由已發(fā)生熱失控的電池模組擴(kuò)散到未發(fā)生熱失控的電池模組），考慮到試驗(yàn)安全和試驗(yàn)成本，進(jìn)行由2 個(gè)電池模組組成的均布模組熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)，均布模組含有模組1和模組2，每個(gè)模組包含4 個(gè)電池單體，電池單體編號(hào)依次標(biāo)記為a-h，為模擬動(dòng)力電池包內(nèi)模組的排列情況，模組之間設(shè)置3 mm 的距離，均布模組排列和熱電偶布置如圖3（a）所示。為避免夾具對(duì)電池單體和電熱膜的散熱效應(yīng)，在模組與夾具的接觸區(qū)域放置氣凝膠板，其大小與模組表面尺寸一致，同時(shí)為防止電池極耳上的電壓線接觸短路，在不同的電池單體極耳區(qū)域放置氣凝膠板，如圖3（b）所示。

圖3 均布模組

電池單體為鎳鈷錳（NCM）三元鋰離子軟包電池，其規(guī)格參數(shù)如表1所示。均布模組中電池單體a的熱電偶布置如圖4 所示，電池單體a 的5 個(gè)壁面中心各布置1 個(gè)熱電偶，編號(hào)分別為a1-a5，所在位置分別為后壁、前壁、底部、頂部和一個(gè)側(cè)壁，其他電池單體的熱電偶按照此規(guī)律編號(hào)。由于相鄰電池單體側(cè)面之間緊密相貼，設(shè)置1 個(gè)熱電偶即可，因此除電池單體a和電池單體e之外，其他電池單體均不設(shè)置編號(hào)為2 的熱電偶，如圖3（a）所示。通過電熱膜加熱觸發(fā)電池單體a 熱失控，進(jìn)而引發(fā)均布模組的熱失控?cái)U(kuò)散。

表1 三元鋰離子軟包電池規(guī)格參數(shù)

圖4 電池單體a熱電偶布置示意圖

均布模組熱失控試驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示。它由均布模組、200 W/40 V聚酰亞胺電熱膜及其變壓器、電壓溫度數(shù)據(jù)采集儀、監(jiān)控系統(tǒng)和充放電設(shè)備組成。試驗(yàn)前使用充放電設(shè)備將所有電池單體的荷電狀態(tài)充足至100%，電熱膜用于加熱電池單體觸發(fā)熱失控，使用K 型熱電偶和電壓溫度數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過程中的溫度和電壓數(shù)據(jù)。將安裝好的均布模組放置于電池火災(zāi)安全試驗(yàn)室內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)全程記錄試驗(yàn)過程。

圖5 均布模組熱失控試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

以電熱膜啟動(dòng)加熱為開始時(shí)刻，記錄1 500 s 內(nèi)均布模組熱失控行為演化過程，如圖6 所示。均布模組熱失控期間各個(gè)電池單體的溫度和電壓數(shù)據(jù)如圖7所示。其中a1～h1為電池單體溫度變化曲線，對(duì)應(yīng)圖4 的溫度測(cè)點(diǎn)，Va～Vh 為電池單體的電壓變化曲線。由圖7 可知，均布模組熱失控有2 個(gè)關(guān)鍵階段，第1 個(gè)階段是模組1 中的電池單體a、b、c、d 發(fā)生熱失控，經(jīng)過約692 s 后，進(jìn)入第2 個(gè)階段，模組2 中的電池單體e、f、g、h發(fā)生熱失控。

圖6 均布模組熱失控行為演化過程

圖7 均布模組電池單體溫度和電壓曲線

通過電熱膜加熱觸發(fā)電池單體a 熱失控，電池單體a 熱失控期間5 個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖8 所示。電池單體a 的前壁受到電熱膜的加熱作用，在電壓為0 時(shí)電熱膜斷電，溫度持續(xù)上升，最高溫度達(dá)到889 ℃。由于測(cè)點(diǎn)a3、a4和a5距離電熱膜較近，同時(shí)受到電池單體本身的導(dǎo)熱作用，溫度上升較快。測(cè)點(diǎn)a5 在電池單體a 的側(cè)壁，熱量會(huì)通過側(cè)壁空氣熱傳導(dǎo)和壁面熱輻射將熱傳遞給電池單體e，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)a5 的最高溫度較低。測(cè)點(diǎn)a5 在946 s 溫度驟升，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，均布模組中的模組2 開始發(fā)生熱失控，其在短時(shí)間釋放的巨大熱量使電池單體a溫度驟升。底部測(cè)點(diǎn)a3和頂部測(cè)點(diǎn)a4在加熱階段溫升速率基本一致，均比后壁測(cè)點(diǎn)a1 溫升速率大，這是因?yàn)殡姛崮さ臒崃繌碾姵貑误wa 的前壁經(jīng)過電池單體a 本身的熱傳導(dǎo)傳遞到后壁需要一定時(shí)間，當(dāng)后壁測(cè)點(diǎn)a1的溫度上升時(shí)，說明電池單體a整體被加熱，溫度上升，后壁測(cè)點(diǎn)a1 可以表示此時(shí)電池單體整體溫度。

圖8 電池單體a測(cè)點(diǎn)溫度變化

電池單體a熱失控發(fā)生后，即電池單體a的后壁測(cè)點(diǎn)a1溫度快速上升階段，底部測(cè)點(diǎn)a3溫度接近其最高溫度830.5 ℃，而頂部測(cè)點(diǎn)a4 的溫度仍然持續(xù)上升，最終頂部測(cè)點(diǎn)a4 的最高溫度900.4 ℃比底部a3 測(cè)點(diǎn)高，這是由于電池?zé)崾Э蒯尫诺臒崃亢突鹧媸箿y(cè)點(diǎn)a4 溫度持續(xù)上升?？梢?，在電熱膜的作用下，電池單體a 內(nèi)部熱失控反應(yīng)從前壁開始，經(jīng)過電池底部和頂部，最終傳導(dǎo)到電池后壁，如圖9所示。

圖9 電池單體a內(nèi)部熱失控傳導(dǎo)示意圖

2.3 均布模組熱失控?cái)U(kuò)散行為與規(guī)律

100～350 s為均布模組第1階段熱失控演變的關(guān)鍵階段，熱失控溫度和電壓變化如圖10 所示。在電池單體熱失控期間，溫度急劇上升，這是因?yàn)殡姵卣?fù)極之間發(fā)生內(nèi)短路從而釋放出大量熱，表現(xiàn)為電壓急劇下降；在均布模組第1 階段熱失控期間，電池單體內(nèi)短路釋放的熱量從內(nèi)部傳遞到電池表面需要一定時(shí)間，導(dǎo)致電池單體電壓下降時(shí)刻均早于溫度急劇上升時(shí)刻。由于電池單體e 與首先發(fā)生熱失控的電池單體a的距離最小，模組1內(nèi)的熱量最早由電池單體a 傳遞到模組2 內(nèi)的電池單體e，因此電池單體e比模組2的其他電池單體升溫較快。

圖10 均布模組第1階段熱失控溫度和電壓變化

900～1 100 s 為均布模組第2 階段熱失控演變的關(guān)鍵階段，熱失控溫度和電壓變化曲線如圖11 所示。均布模組第2 階段熱失控發(fā)生在模組2 內(nèi)。模組1 中電池單體a 在電熱膜的加熱作用下首先發(fā)生熱失控，然后在模組1 內(nèi)發(fā)生熱擴(kuò)散，熱失控?cái)U(kuò)散方向?yàn)閍-b-c-d，電池單體最高溫度沿?zé)崾Э財(cái)U(kuò)散方向逐漸下降，如圖12所示。當(dāng)模組1熱失控發(fā)生后，模組2 并沒有立即發(fā)生熱失控，而是經(jīng)過692 s 后，模組2中的電池單體e首先發(fā)生熱失控，熱失控?cái)U(kuò)散方向?yàn)閑-f-g-h。

圖11 均布模組第2階段熱失控溫度和電壓變化

圖12 均布模組熱失控電池單體最高溫度

以電池單體電壓下降大于初始電壓的25%，溫升速率大于1 ℃/s且持續(xù)3 s以上作為熱失控開始的標(biāo)志，如式（1）～式（3）所示。

式中：表示電池單體電壓V下降大于25%的時(shí)刻；表示電池單體編號(hào)；t表示3 s 內(nèi)溫度上升大于3 ℃的時(shí)刻；T表示某時(shí)刻的溫度；表示電池單體熱失控時(shí)刻。經(jīng)過計(jì)算，均布模組電池單體熱失控時(shí)刻和熱失控時(shí)間間隔Δ=，-t如圖13所示。模組1相鄰電池單體熱失控?cái)U(kuò)散時(shí)間范圍為31～44 s，模組2 相鄰電池單體熱失控?cái)U(kuò)散時(shí)間范圍為11～17 s。隨著熱失控的擴(kuò)散，相鄰電池單體的熱失控時(shí)間間隔越來越小，說明熱失控?cái)U(kuò)散速度越來越快，單位時(shí)間內(nèi)更多的電池單體發(fā)生熱失控，危險(xiǎn)性越來越大。熱失控從模組1 擴(kuò)散到模組2 用時(shí)較長(zhǎng)，達(dá)到692 s。模組1 和模組2 內(nèi)相鄰電池單體以壁面緊密接觸，導(dǎo)熱面積較大，而相鄰模組之間的電池單體有3 mm 的空氣間隙，傳熱面積較小，從而導(dǎo)致模組間熱失控?cái)U(kuò)散時(shí)間比模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)。

圖13 均布模組電池單體熱失控時(shí)刻及時(shí)間間隔

均布模組熱失控?cái)U(kuò)散時(shí)間順序如圖14 所示，刻度線代表每個(gè)電池單體熱失控發(fā)生的時(shí)刻。令模組1內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散持續(xù)時(shí)間為，模組2內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散持續(xù)時(shí)間為，且＞，模組間熱失控?cái)U(kuò)散時(shí)間間隔為，則均布模組熱失控?cái)U(kuò)散總用時(shí)為

圖14 均布模組熱失控時(shí)間順序

其中和分別為

代入均布模組的熱失控試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得

2.4 均布模組式電池包熱失控?cái)U(kuò)散典型模式

基于以上分析，均布模組式動(dòng)力電池包熱失控?cái)U(kuò)散模式由模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散和模組間熱失控?cái)U(kuò)散組成，如圖15 所示。模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散以電池單體熱失控?cái)U(kuò)散為主，是模組內(nèi)電池單體熱失控引發(fā)其他電池單體接連發(fā)生熱失控的現(xiàn)象；模組間熱失控使相鄰的電池模組接連發(fā)生熱失控的現(xiàn)象，其必然伴隨模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散。因此，電池包內(nèi)某個(gè)電池單體發(fā)生熱失控后，會(huì)引發(fā)其所在模組的熱失控?cái)U(kuò)散，進(jìn)而引發(fā)相鄰模組的熱失控?cái)U(kuò)散，模組間熱失控?cái)U(kuò)散進(jìn)一步增大熱失控的范圍，加強(qiáng)模組間熱失控?cái)U(kuò)散防護(hù)對(duì)提高動(dòng)力電池的安全性具有積極意義。

圖15 均布模組式動(dòng)力電池包熱失控?cái)U(kuò)散模式

3 均布模組熱失控觸發(fā)條件與傳熱分析

3.1 均布模組熱失控觸發(fā)條件分析

均布模組各個(gè)電池單體熱失控起始溫度對(duì)比如圖16（a）所示。模組1 中電池單體熱失控起始溫度～范圍為40.1～57.2 ℃，如圖16（b）所示；模組2中電池單體熱失控起始溫度～范圍為171.8 ～200 ℃，如圖16（c）所示。觸發(fā)模組1 熱失控的熱量來自于緊貼在電池單體a 前壁的電熱膜；觸發(fā)模組2熱失控的熱量來自于模組1 的空氣熱傳導(dǎo)和壁面熱輻射。

圖16 均布模組電池單體熱失控起始溫度

為研究模組1 與模組2 熱失控起始溫度不一致的原因，進(jìn)行鋰離子電池單體環(huán)境加熱熱失控試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為加速量熱儀，在電池單體后壁中心位置布置熱電偶，將電池單體放置于加速量熱儀中，加速量熱儀內(nèi)部溫度逐漸升高，直到電池單體發(fā)生熱失控。為保證熱失控試驗(yàn)的一致性，重復(fù)3 次試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備、布置情況與試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。

圖17 電池單體環(huán)境加熱熱失控試驗(yàn)

電池單體在加速量熱儀內(nèi)被加熱，當(dāng)熱電偶溫度即加速量熱儀內(nèi)環(huán)境的溫度為200 ℃時(shí)，電池單體發(fā)生熱失控，此時(shí)的熱失控起始溫度為熱失控環(huán)境觸發(fā)溫度。結(jié)合均布模組熱失控試驗(yàn)可知，導(dǎo)致模組1 與模組2 熱失控起始溫度不同的原因是熱失控觸發(fā)的方式不一致。在模組1 熱失控?cái)U(kuò)展到模組2的過程中，模組1主要以空氣熱傳導(dǎo)和壁面熱輻射的方式將部分熱量傳遞到模組2，導(dǎo)致模組2的環(huán)境溫度上升，則模組2 中的電池單體熱失控起始溫度為熱失控環(huán)境觸發(fā)溫度，如圖18所示。

圖18 模組2溫度升高曲線

在模組1 中，當(dāng)電池單體被加熱到熱失控觸發(fā)溫度時(shí)，由于電熱膜與溫度測(cè)點(diǎn)分別在前壁與后壁，此時(shí)熱量已經(jīng)傳遞至整個(gè)電池單體，隨即發(fā)生熱失控；在模組2 中，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度時(shí)，熱量未能傳遞至電池單體內(nèi)部，電池單體整體溫度未達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度，熱失控未發(fā)生，如圖19 所示。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到時(shí)，熱量傳遞至電池單體內(nèi)部，電池單體整體已達(dá)到，隨即發(fā)生熱失控。模組2 內(nèi)的平均（大約182.5 ℃）約為模組1 內(nèi)的平均（大約48.3 ℃）的4 倍，可見電池單體的遠(yuǎn)低于。通過阻隔防接觸有利于提高電池單體熱失控高的起始溫度，從而提高電池單體的安全性。明確熱失控觸發(fā)溫度與熱失控環(huán)境觸發(fā)溫度的作用機(jī)理對(duì)電池?zé)崾Э匕踩雷o(hù)具有參考意義。

圖19 電熱膜與加速量熱儀觸發(fā)熱失控示意圖

3.2 均布模組熱失控傳熱分析

由于試驗(yàn)在火災(zāi)安全房中進(jìn)行，空氣流動(dòng)較小，忽略對(duì)流影響。模組1 中的電池單體a 發(fā)生熱失控后，部分熱量傳遞到電池單體b 和電池單體e。模組1 中的相鄰電池單體緊密貼合，熱量傳遞的方式以固體熱傳導(dǎo)為主，設(shè)熱失控時(shí)間間隔內(nèi)固體傳熱的熱量為；模組1 的電池單體a 側(cè)壁與模組2 的電池單體e 側(cè)壁的熱量傳遞方式以空氣熱傳導(dǎo)和壁面熱輻射為主，分別設(shè)熱失控時(shí)間間隔內(nèi)空氣熱傳導(dǎo)熱量和壁面輻射熱量為和，如圖20 所示。電池單體之間通過不同路徑傳遞的熱流可由式（7）～式（9）表示，、和分別由式（10）和式（11）表示。

圖20 電池單體a傳熱示意圖

式中：T為電池單體的后壁溫度；T為電池單體的側(cè)壁溫度；為斯忒藩-玻耳茲曼常量（5.67×10W/m·K）；、和的表達(dá)式和物性參數(shù)如表2 所示。其中d為傳熱距離，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，S為傳熱面積，ε為物體的發(fā)射率。

表2 熱阻表達(dá)式與物性參數(shù)

均布模組中電池單體之間不同傳熱路徑如圖21 所示。其傳熱量由式（7）～式（11）計(jì)算，結(jié)果如表3 所示。由于電池單體固體熱傳導(dǎo)傳遞的熱量是觸發(fā)相鄰電池單體熱失控的主要熱量來源，考慮到高溫高壓射流體和火焰具有間歇性和不穩(wěn)定性，且作用時(shí)間短，難以計(jì)算等原因，計(jì)算過程著重考慮電池單體本身穩(wěn)定的熱量傳遞，忽略射流體和火焰的影響。模組間空氣熱傳導(dǎo)的熱量與模組間隙成反比，間隙越大即傳熱距離越大，模組間空氣熱傳導(dǎo)傳遞的熱量越少，相鄰電池模組熱失控觸發(fā)時(shí)刻越延遲。隨著熱失控的擴(kuò)散，觸發(fā)相鄰電池單體熱失控的熱量來自于上一個(gè)電池單體熱失控釋放并傳導(dǎo)到相鄰電池單體的熱量，隨著熱失控?cái)U(kuò)散的進(jìn)行，逐漸減小，相鄰電池單體熱失控時(shí)間間隔逐漸減小，如圖22所示。

圖22 觸發(fā)相鄰電池單體熱失控?zé)崃考盁崾Э貢r(shí)間間隔

表3 不同傳熱路徑的傳熱量

圖21 傳熱路徑示意圖

與模組1 內(nèi)的電池單體熱失控?cái)U(kuò)散速度相比，模組2 中的電池單體發(fā)生熱失控后的熱失控?cái)U(kuò)散速度顯著增大。以本次均布模組熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果為例，約為的40%，這是因?yàn)槲窗l(fā)生熱失控的電池單體受到熱失控后的電池單體的加熱作用，模組2 溫度升高，電池單體熱失控前被加熱，隨著熱失控?cái)U(kuò)散進(jìn)程的推移，越來越多的電池單體發(fā)生熱失控，對(duì)后續(xù)的電池單體起到加熱作用的電池單體越來越多，后續(xù)電池單體的受熱時(shí)間也越來越長(zhǎng)，熱失控的時(shí)間間隔越來越小，因此模組間熱失控?cái)U(kuò)散會(huì)縮短相鄰模組內(nèi)電池單體熱失控的擴(kuò)散時(shí)間。由于受到前面多個(gè)熱失控后電池單體的加熱作用，更少的熱失控釋放能量就能觸發(fā)相鄰電池單體熱失控。這意味著動(dòng)力電池包內(nèi)越來越多的電池模組會(huì)吸收相鄰模組的熱量，模組內(nèi)和模組間的熱失控?cái)U(kuò)散速度越來越快，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)的電池模組釋放的能量越來越大，熱失控的破壞能力越來越強(qiáng)，造成整個(gè)動(dòng)力電池包熱失控，最終導(dǎo)致電動(dòng)汽車火災(zāi)事故的發(fā)生。

由于模組1 與模組2 的熱失控時(shí)刻相差692 s，故模組2 被長(zhǎng)時(shí)間加熱，在此過程中壁面熱輻射傳遞的熱量最高達(dá)到95.18 kJ，空氣熱傳導(dǎo)傳遞的熱量最高為3.58 kJ，壁面熱輻射傳遞的熱量遠(yuǎn)大于空氣熱傳導(dǎo)傳遞的熱量，因此在模組之間熱失控?cái)U(kuò)散的主要熱量傳遞方式為壁面熱輻射。在關(guān)注模組內(nèi)電池單體熱失控?cái)U(kuò)散阻隔時(shí)，應(yīng)注意模組之間的熱失控?cái)U(kuò)散防護(hù)。

4 均布模組式動(dòng)力電池包火災(zāi)事故真實(shí)案例分析

4.1 事故信息

某電動(dòng)汽車在進(jìn)行快速充電時(shí)，車輛突然冒白煙，駕駛員迅速拔下充電槍，消防人員到場(chǎng)后先后使用干粉滅火器和水槍控制火情。事故造成車輛輕微燒損，動(dòng)力電池包熱失控，無人員傷亡。

動(dòng)力電池包安裝于車輛底部，為均布模組式動(dòng)力電池包，由32 個(gè)模組串聯(lián)而成，分別編號(hào)為M1～M32。每個(gè)模組內(nèi)部均包含15個(gè)電池單體，每5個(gè)電池單體組成并聯(lián)模塊，3 個(gè)并聯(lián)模塊串聯(lián)連接，連接方式為3串5并，電池單體為三元方殼鋰離子電池（NCM 6∶2∶2），如圖23所示。

圖23 事故電池包

4.2 動(dòng)力電池包燒損詳情

電池包外部基本完好，無鼓包和破損情況。電池包前部的電氣部件無明顯過火痕跡。電池包內(nèi)右后部燒損，其中M9、M10、M11、M12、M13、M14 模組燒損較嚴(yán)重，M15、M16 模組燒損較輕，形成以M12模組為起火中心的燃燒蔓延痕跡，如圖24所示。

圖24 電池包內(nèi)部燒損情況

M12 電池模組四周的鋁板被燒斷，中右部的電池單體殼體燒失，漏出內(nèi)部卷芯；拆解M12 電池模組，中部的35#并聯(lián)模塊變形，并向上突起，兩側(cè)34#和36#并聯(lián)模塊具有向中部35#并聯(lián)模塊的擠壓痕跡，如圖25所示。

圖25 M12模組燒損情況

4.3 動(dòng)力電池包熱失控?cái)U(kuò)散過程

綜合上述動(dòng)力電池包熱失控情況，對(duì)該動(dòng)力電池包熱失控?cái)U(kuò)散過程進(jìn)行分析。M12 模組中的35#并聯(lián)電池模塊發(fā)生故障導(dǎo)致熱失控，射流體沖破泄壓閥向上噴射，從而釋放大量電化學(xué)能，由于35#并聯(lián)電池模塊向外噴射射流體，體積減小，受兩側(cè)并聯(lián)電池模塊擠壓變形，加速熱量的傳播，發(fā)生模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散?；鹧婧透邷貨_破模組外殼，并迅速向周圍M11、M10 和M13 等模組擴(kuò)散，引發(fā)周圍模組過溫?zé)崾Э?，發(fā)生模組間熱失控?cái)U(kuò)散，進(jìn)而引起動(dòng)力電池包熱失控，其過程如圖26 所示。電池單體故障誘發(fā)熱失控，釋放大量熱，熱量沒有受到阻隔并有效散熱而迅速擴(kuò)散到相鄰電池單體與模組，是該電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包發(fā)生火災(zāi)事故的主要原因。

圖26 事故電池包熱失控?cái)U(kuò)散示意圖

電動(dòng)汽車火災(zāi)事故真實(shí)案例與均布模組熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果共同證實(shí)了均布模組式動(dòng)力電池包存在典型的熱失控?cái)U(kuò)散模式，熱失控在模組內(nèi)擴(kuò)散的同時(shí)，還在相鄰模組之間擴(kuò)散，即模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散和模組間熱失控?cái)U(kuò)散模式相繼或同時(shí)進(jìn)行，進(jìn)而引發(fā)動(dòng)力電池包大范圍熱失控。因此，動(dòng)力電池模組間的熱失控?cái)U(kuò)散行為是造成電池包大范圍熱失控乃至電動(dòng)汽車火災(zāi)事故的重要原因。事故電池包內(nèi)的電池模組之間存在一定的距離，結(jié)合均布模組熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果，壁面熱輻射對(duì)模組間的熱失控?cái)U(kuò)散具有重要影響，模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散速度越快，其危害就越大。在電池模組之間增加抵御熱輻射設(shè)計(jì)和隔熱設(shè)計(jì)有助于抑制熱失控在電池包內(nèi)的擴(kuò)散，提高電池包的安全性。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)目前廣泛采用的均布模組式電池包熱失控?cái)U(kuò)散問題，從研究電池單體的熱失控行為入手，構(gòu)建模組內(nèi)和模組間熱失控?cái)U(kuò)散行為分析框架。通過試驗(yàn)分析，梳理電池包整體熱失控的典型模式。

（2）開展了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的典型結(jié)構(gòu)電池包模組內(nèi)、模組間熱失控?cái)U(kuò)散行為試驗(yàn)研究。在擴(kuò)散速度方面：熱失控模組內(nèi)電池單體間的擴(kuò)散速度與后續(xù)模組內(nèi)電池單體間的熱失控?cái)U(kuò)散速度差別較大，呈現(xiàn)一種不斷加速的態(tài)勢(shì)。模組間的熱失控間隔通常達(dá)若干分鐘量級(jí)；在熱失控起始溫度方面，試驗(yàn)顯示熱失控環(huán)境觸發(fā)溫度明顯高于熱失控觸發(fā)溫度，這個(gè)溫度差說明了阻隔防接觸的熱失控措施具有合理性。

（3）結(jié)合電動(dòng)汽車火災(zāi)事故的深度調(diào)查，研究均布模組式電池包熱失控痕跡和火災(zāi)蔓延情況。事故電池包熱失控導(dǎo)致的火災(zāi)事故和均布模組熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果共同驗(yàn)證了均布模組式動(dòng)力電池包的熱失控典型模式。

（4）本文的研究為熱失控?cái)U(kuò)散的阻隔和火災(zāi)防護(hù)提供了線索和思路。首先，模組間的熱失控?cái)U(kuò)散速度取決于模組間的壁面熱輻射性能；其次，模組間的熱失控?cái)U(kuò)散有一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的間隔期，抓住這段時(shí)間進(jìn)行阻隔或考慮其他抑制熱失控?cái)U(kuò)散的防護(hù)措施，會(huì)顯著降低電池包的火災(zāi)危害性。