FSEC賽車動(dòng)力電池?zé)崧臃雷o(hù)研究

李書(shū)華，吳釔陶，吳宗揚(yáng)，貝 璟，汪永嘉，張代勝

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 合肥 230009)

0 引言

在電動(dòng)汽車規(guī)模效益的推動(dòng)下，動(dòng)力電池市場(chǎng)規(guī)模高速增長(zhǎng)，截止2021年底，全球動(dòng)力電池裝機(jī)量約296.8 GWh，較2020年增加了102.18%[1]。作為一種先進(jìn)的儲(chǔ)能媒介，鋰離子電池有著極高的能量密度[2]，但這也帶來(lái)了很大的安全隱患，如熱失控問(wèn)題[3]。熱濫用、電濫用和機(jī)械濫用[4]都可能會(huì)引發(fā)熱失控，一旦熱失控在電池組內(nèi)被觸發(fā)，電芯會(huì)迅速釋放出大量熱量，這往往會(huì)產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng)，導(dǎo)致周圍相鄰的電芯被觸發(fā)熱失控，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的事故[5-6]。

中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車大賽動(dòng)態(tài)賽事異常激烈，比賽過(guò)程中賽車放電功率較大，電池內(nèi)部溫度變化比普通乘用車更劇烈。賽車座艙狹小擁擠，一旦發(fā)生熱失控事故，熱量會(huì)迅速蔓延至全車[7]，大大增加車手的逃生難度。因此，探究熱失控蔓延機(jī)制，研究針對(duì)FSEC賽車電池包的熱阻隔方法具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池的熱失控行為開(kāi)展了大量的研究，并取得良好的進(jìn)展。常見(jiàn)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有風(fēng)冷、液冷[8]以及利用相變材料的相變熱特性起到蓄熱作用的冷卻方式[9]?？諝饫鋮s系統(tǒng)的散熱能力較液冷系統(tǒng)有相當(dāng)?shù)木窒扌裕F(xiàn)有的針對(duì)電池?zé)崾Э氐臒峁芾矸椒ǖ难芯?，主要基于液冷，并輔以相應(yīng)的隔熱蓄熱材料，如石墨烯材料[10]，相變材料。Wang等[11]設(shè)計(jì)了一種將熱管和冷卻水結(jié)合熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)熱失控的傳播起到了良好的控制作用。Xu等[4]提出一種基于迷你流道的液冷熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然不能阻止單個(gè)電芯熱失控發(fā)生，但是能在液體大流速下阻止相鄰電芯的熱蔓延。Wilke等[12]設(shè)計(jì)了一種基于相變材料的被動(dòng)式熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電芯發(fā)生熱失控的情況下，能很好地控制熱失控傳播，將相鄰的電池保持在安全的溫度范圍。

FSEC賽車動(dòng)力電池箱內(nèi)部構(gòu)造緊湊，可改造的空間極小，能定制化形狀的相變材料可用于填充電芯間的空隙，配合冷卻板能儲(chǔ)存電芯熱失控釋放的大量熱量，并延緩甚至阻斷熱量向相鄰電芯蔓延，延長(zhǎng)FSEC電池組完全熱失控的時(shí)間，給賽車手爭(zhēng)取足夠的逃生時(shí)間，提高FSEC賽車的安全性能。

本文以合肥工業(yè)大學(xué)FSEC賽車動(dòng)力電池包為研究對(duì)象，在電芯之間加入基于相變材料的蓄熱薄片，采用數(shù)值仿真的方式研究其熱防護(hù)特性，并分析不同因素對(duì)該蓄熱薄片熱防護(hù)效果的影響。

1 模型描述

本文研究的FSEC動(dòng)力電池模組由12個(gè)電芯組成，采用的連接方式為3s4p，如圖1所示，電芯規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

1.頂部支架; 2.隔板; 3.電芯; 4.蓄熱翅片; 5.底部支架; 6.液冷板

表1 電芯規(guī)格參數(shù)

1.1 幾何描述

圖1(a)為本文提出的一種基于無(wú)機(jī)水合鹽的高溫相變材料[13]蓄熱翅片結(jié)構(gòu)，用于抑制電池模組熱蔓延。蓄熱翅片呈U型槽結(jié)構(gòu)，厚度為1 mm，高度與電芯等高，可從3面包裹電芯，電池模組底部為一液冷板6。

選取某大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車軟包電池作為研究對(duì)象，單體電芯3容量為7 Ah，尺寸為122.5 mm×42 mm×10.7 mm。為闡述方便，對(duì)12個(gè)電芯從(1，1)至(3，4)進(jìn)行命名，如圖1(c)所示。數(shù)值模型中所涉及材料的熱物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 熱物性參數(shù)

1.2 電池?zé)崾Э啬Ｐ?/h3>

電池的溫度T隨時(shí)間t變化的公式為式(1)[14]。

(1)

(2)

電池內(nèi)部的凈產(chǎn)熱功率Q(t)可以通過(guò)式(3)計(jì)算，式中：Qchem(t)為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱功率，Qele(t)示電能釋放時(shí)的產(chǎn)熱功率，Qh(t)為電芯與周圍環(huán)境的熱交換功率。

Q(t)=Qchem(t)+Qele(t)-Qh(t)

(3)

化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱功率Qchem(t)由5個(gè)部分組成[14]，分別為SEI膜分解時(shí)的產(chǎn)熱功率QSEI(t)，失去SEI膜后，負(fù)極嵌入鋰與電解質(zhì)反應(yīng)時(shí)的產(chǎn)熱功率Qne(t)，隔膜熔化時(shí)的吸熱功率Qsep(t)，電解質(zhì)分解時(shí)的產(chǎn)熱功率Qele(t)，正極材料分解時(shí)的產(chǎn)熱功率Qpe，即式(4)。

Qchem(t)=QSEI(t)+Qne(t)+Qsep(t)

+Qele(t)+Qpe

(4)

其中，SEI膜分解時(shí)的產(chǎn)熱功率QSEI(t)由式(5)(6)計(jì)算。

(5)

(6)

負(fù)極產(chǎn)熱功率Qne(t)由式(7)(8)計(jì)算。

(7)

(8)

隔膜熔化時(shí)的吸熱功率Qsep(t)由式(9)(10)計(jì)算。

(9)

(10)

正極材料分解時(shí)的產(chǎn)熱功率Qpe(t)由式(11)(12)計(jì)算。

(11)

(12)

式中，Qpe(t)由Qpe,1(t)和Qpe,2(t)組成，式(11)(12)中的x為1、2。

電解質(zhì)分解時(shí)的產(chǎn)熱功率Qele(t)由式(13)(14)計(jì)算得：

(13)

(14)

式(5)—(14)中涉及的化學(xué)反應(yīng)生成焓Hx，反應(yīng)活化能Ea,x，前向因子Ax，反應(yīng)物質(zhì)量mx，反應(yīng)物歸一化濃度初始量c0,x見(jiàn)表3[14]。

表3 熱失控副反應(yīng)參數(shù)

1.3 邊界條件

利用COMSOL Multiphysics軟件建立電池模組熱失控模型，所有電芯SOC為100%，電芯(2，2)模擬加熱觸發(fā)熱失控。環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)h為17 W/(m2·K)，加熱功率為100 W，直到電芯觸發(fā)熱失控。

對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證及時(shí)間步無(wú)關(guān)性驗(yàn)證得，在網(wǎng)格數(shù)從481 793增加到862 981，電芯的最高溫度相差不到1%，時(shí)間步從0.5 s縮短到0.1 s，電芯的最高溫度相差不到0.7%，為節(jié)省計(jì)算資源，采用網(wǎng)格數(shù)481 793，時(shí)間步0.5 s計(jì)算。

1.4 數(shù)值仿真模型驗(yàn)證

將本文單體電芯仿真結(jié)果與Lai等[15]實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2。在相同的熱失控觸發(fā)條件下，Lai等實(shí)驗(yàn)中電芯內(nèi)部最高溫度為883 ℃，熱失控觸發(fā)時(shí)間為7 626 s，數(shù)值仿真中電芯內(nèi)部最高溫度為936 ℃，熱失控觸發(fā)時(shí)間為 7 358 s；本文數(shù)值仿真中電芯內(nèi)部最高溫度為 917 ℃，熱失控觸發(fā)時(shí)間為7 480 s。本文數(shù)值仿真電池溫度曲線與Lai等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，且最高溫度和電池觸發(fā)熱失控時(shí)間的絕對(duì)、相對(duì)誤差均更小，表明本文仿真模型能夠準(zhǔn)確反映出電池在加熱條件下發(fā)生熱失控溫度的變化情況。

圖2 本文仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[15]結(jié)果

2 結(jié)果與討論

為定量評(píng)價(jià)蓄熱翅片的熱防護(hù)性能，本文提出評(píng)價(jià)指標(biāo)：熱失控延緩時(shí)間Δt，電芯最高溫度Tx,max。其中Δt=t1-t2，t1為未采取熱防護(hù)措施時(shí)電芯(2，1)與電芯(2，2)熱失控的時(shí)間間隔，t2為采取熱防護(hù)措施時(shí)電芯(2，1)與電芯(2，2)熱失控的時(shí)間間隔，x為電芯號(hào)。

2.1 無(wú)熱防護(hù)電池模組熱失控分析

對(duì)電芯(2，2)，一面以100 W功率加熱進(jìn)行仿真計(jì)算，得到電池模組中各電芯的溫度變化如圖3所示。在295 s時(shí)，電芯溫度達(dá)到250 ℃時(shí)并觸發(fā)熱失控，溫度在短時(shí)間內(nèi)劇增至800 ℃左右。盡管電芯(2，2)觸發(fā)熱失控后，通過(guò)與液冷板的熱交換可以散失部分熱量，但液冷板只能帶走電芯正常工作時(shí)的產(chǎn)熱量，維持電池模組的溫度在最佳范圍內(nèi)。電芯(2，2)熱失控產(chǎn)生的大量熱量迅速蔓延到相鄰的電芯，電芯(2，1)由于與熱失控源最接近，正對(duì)面積最大，故其在580 s時(shí)最先被加熱而觸發(fā)熱失控，電芯溫度在短時(shí)間升高至860 ℃，電芯(2，2)和電芯(2，1)發(fā)生熱失控的時(shí)間間隔t1為285 s。電芯(2，1)發(fā)生熱失控之后，由于熱量堆積以及熱蔓延[16]，其余10個(gè)電芯類似多米諾骨牌效應(yīng)相繼發(fā)生熱失控。由于電芯(3，1)至芯(3，4)與電芯(1，1)至電芯(1，4)為對(duì)稱分布，兩者溫度曲線幾乎重合，為使溫度曲線圖簡(jiǎn)潔明了，故省去電芯(3，1)至電芯(3，4)的溫度曲線。無(wú)熱防護(hù)電池模組溫度曲線見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)熱防護(hù)電池模組溫度曲線

2.2 蓄熱翅片防護(hù)效果分析

電池模組加裝蓄熱翅片后，與基礎(chǔ)案例相同，對(duì)電芯(2，2)一面以100 W功率加熱進(jìn)行仿真計(jì)算，得到電池模組中各電芯的溫度曲線如圖4所示。在365 s時(shí)，電芯(2，2)溫度升高至250 ℃以上并觸發(fā)熱失控，溫度迅速升高至716 ℃，觸發(fā)熱失控的時(shí)間較無(wú)熱防護(hù)方案延長(zhǎng)了70 s，且電芯的最高溫度降低了84 ℃。電芯(2，1)在994 s時(shí)溫度達(dá)到250 ℃以上并觸發(fā)熱失控，溫度迅速升高至805 ℃，電芯(2，2)和電芯(2，1)發(fā)生熱失控的時(shí)間間隔t2為671 s，該時(shí)間間隔較無(wú)熱防護(hù)措施延長(zhǎng)了Δt=386 s，這一現(xiàn)象說(shuō)明蓄熱翅片雖然延緩了熱量蔓延，但無(wú)法阻止電芯(2，1)被觸發(fā)熱失控。

值得注意的是，蓄熱翅片在電芯(2，2)和電芯(2，1)熱失控時(shí)儲(chǔ)存了大量熱量，并延緩了熱量蔓延，大大增加了液冷板在其余電芯發(fā)生熱失控前帶走的熱量，減少了熱量堆積，使得電芯(2，3)在2 487 s達(dá)到最高138 ℃，并未達(dá)到熱失控的觸發(fā)溫度，熱失控的多米諾骨牌效應(yīng)被蓄熱翅片中斷。該熱蔓延過(guò)程由圖5可以直觀地看出。該現(xiàn)象說(shuō)明，裝有蓄熱翅片的電池模組在其中一個(gè)電芯發(fā)生熱失控的情況下，熱失控僅蔓延到一個(gè)電芯，其他電芯均未發(fā)生熱失控，因此，蓄熱翅片可以起到一定的熱防護(hù)作用，對(duì)于電池包安全設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

圖4 加裝蓄熱翅片后電池模組溫度曲線

圖5 電池模組熱失控溫度分布演化過(guò)程

2.3 不同因素對(duì)熱蔓延防護(hù)的影響

為達(dá)到蓄熱翅片熱防護(hù)效果的最優(yōu)化，現(xiàn)對(duì)蓄熱翅片的厚度及覆蓋面積2個(gè)因素進(jìn)行研究。

2.3.1蓄熱翅片厚度的影響

前文的基礎(chǔ)案例中，蓄熱翅片的厚度設(shè)置為1 mm，電池模組中電芯的前后間距為2 mm，左右間隔為4 mm，故蓄熱翅片最大厚度為2 mm，為了研究不同蓄熱翅片厚度對(duì)電池模組熱失控蔓延防護(hù)的影響，選取1、1.1、1.2、1.3、…、2 mm，共11個(gè)厚度進(jìn)行分析，其他邊界條件設(shè)置與前文一致。

仿真分析得到Δt和T(2,1),max隨蓄熱翅片厚度的變化曲線如圖6所示。可以看出，電芯(2，1)的最高溫度T(2,1),max隨著蓄熱翅片厚度的增加而持續(xù)降低，這是因?yàn)樾顭岢崞穸鹊脑黾?，使得蓄熱翅片的熱容量增加，配合液冷板耗散更多熱量，使電芯最高溫度下降，但即使蓄熱翅片的厚度增大? mm，也無(wú)法阻止電芯(2，1)被加熱到250 ℃以上并發(fā)生熱失控。Δt隨著蓄熱翅片厚度的增加先增大后減小，在蓄熱翅片厚度為1.4 mm的時(shí)候達(dá)到最大438 s，當(dāng)蓄熱翅片厚度為2 mm時(shí)，Δt為-133 s，這意味著加裝蓄熱翅片反而加速了熱蔓延的傳播，該現(xiàn)象符合COMAN的研究結(jié)果[17]，隨著蓄熱翅片的加厚，電芯之間的氣隙減小，當(dāng)厚度達(dá)到一定程度時(shí)，蓄熱翅片起到了電芯之間溫度傳導(dǎo)的作用，從而加速了熱蔓延。因此，在應(yīng)用蓄熱翅片的過(guò)程中，可以選取1～1.5 mm厚度的蓄熱翅片。

圖6 Δt和T(2,1),max隨蓄熱翅片厚度的變化曲線

2.3.2蓄熱翅片覆蓋面積的影響

基礎(chǔ)案例中，蓄熱翅片的高度與電芯等高，即100%覆蓋電芯，現(xiàn)選取90%、80%、70%、60%、50%的覆蓋面積來(lái)研究蓄熱翅片覆蓋面積對(duì)電池模組熱失控蔓延防護(hù)的影響，翅片覆蓋的位置見(jiàn)圖7。

圖7 蓄熱翅片覆蓋位置示意圖

仿真分析得到Δt和T(2,1),max隨蓄熱翅片覆蓋面積的變化曲線如圖8所示?？梢钥闯?，隨著覆蓋面積的減少，電芯(2，1)的最高溫度T(2,1),max持續(xù)上升，這是因?yàn)樾顭岢崞偀崛蓦S著蓄熱翅片的覆蓋面積減少而減少，其蓄熱作用隨著蓄熱翅片的覆蓋面積減少而減弱，當(dāng)覆蓋面積為50%時(shí)，最高溫度達(dá)到843 ℃，與不加裝蓄熱翅片時(shí)的最高溫度幾乎相同。而Δt隨著覆蓋面積的減少呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在覆蓋面積為90%時(shí)達(dá)到最大，為403 s，這是因?yàn)樾顭岢崞采w面積減少的同時(shí)，電芯之間的氣隙增大，這對(duì)熱失控蔓延過(guò)程中的熱量傳遞會(huì)起到一定的阻礙作用[17]，但隨著蓄熱翅片覆蓋面積的持續(xù)減少，蓄熱翅片總熱容下降，液冷板來(lái)不及排出電芯(2，2)熱失控的熱量，故又逐漸縮短。值得注意的是，當(dāng)覆蓋面積減少到70%的時(shí)候，電芯(2，3)發(fā)生了熱失控，繼而引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)，整個(gè)電池模組均被觸發(fā)熱失控，這說(shuō)明蓄熱翅片覆蓋面積小于70%不可取。

圖8 Δt和T(2,1),max隨蓄熱翅片覆蓋面積的變化曲線

3 結(jié)論

1) 當(dāng)單個(gè)電芯發(fā)生熱失控時(shí)，該系統(tǒng)能有效延緩和阻斷電池模組的熱蔓延。

2) 對(duì)蓄熱翅片厚度的分析表明，1.4 mm的厚度能最大程度延緩熱失控傳播，過(guò)大的厚度會(huì)導(dǎo)致電芯間氣隙減小而加速熱失控傳播。

3) 對(duì)不同蓄熱翅片覆蓋面積的研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋面積為90%時(shí)能最大程度延緩熱失控傳播，而覆蓋面積小于70%時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法阻止熱失控的傳播。