電池熱失控防護方案仿真分析

焦紅星 張延星 李甲

（1.鄭州職業(yè)技術學院2.宇通客車新能源技術部3.海馬汽車有限公司）

兼具高比容量、長壽命及環(huán)保等優(yōu)勢的鋰離子電池可以滿足人們對微型電子設備所需要的電池小型化、輕量化及環(huán)保的多重要求，也是未來動力電池和儲能電池的理想能源[1-2]?！吨袊圃?025》指出，2020 年電池能量密度達到300 Wh/kg；2025 年電池能量密度達到400 Wh/kg；2030 年電池能量密度達到500 Wh/kg。電池包能量密度的增加，不可逆反應熱會增加熱失控風險[3-4]。熱失控是指電池單體放熱連鎖反應引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象[5]。近年來，國內外學者對電池熱失控進行了較多研究[6-10]。文獻[11]通過試驗研究了動力電池單體電芯在過溫、過充及內短路等極端情況下的溫度和電壓變化，提出改善電池安全性的建議。當一個電池單體發(fā)生熱失控之后，其相鄰單體受影響后也相繼發(fā)生熱失控，導致熱失控蔓延，最終引發(fā)安全事故。因此，對電芯、模組熱擴散行為進行研究，找到有效的防護方法，提升新能源汽車安全性是非常重要的[12]。

1 鋰離子電池熱失控誘因

鋰電池發(fā)熱失控的因素分為內部因素和外部因素。內部因素主要是：電池生產(chǎn)缺陷導致內短路，電池使用不當，導致內部產(chǎn)生鋰枝晶引發(fā)正負極短路。外部因素主要是：電池使用過程中出現(xiàn)的問題，比如過充、高溫使用、擠壓及碰撞等。其中過充和內短路是鋰離子電池熱失控最常見的原因。文章利用加熱方式引發(fā)電芯熱失控，探究電芯失控形式、溫度及位置等信息，利用Starccm+仿真軟件搭建模型，驗證試驗準確性，并研究了相鄰電芯之間防火隔熱材料、模組防火罩對電芯熱失控的影響。

2 電芯熱失控試驗研究

2.1 試驗對象

試驗對象為某電池廠家生產(chǎn)的標稱容量為40 Ah的三元軟包電芯。

2.2 電芯熱失控測試

充電：若單體Umax＜3.81 V，以0.5C 倍率恒流充電；若單體3.81 V≤Umax＜3.977 V，則以0.25C 倍率恒流充電；若單體3.977 V≤Umax＜4.06 V，則以0.2C 倍率恒流充電；若Umax≥4.06 V，則以0.1C 恒流充電至4.15 V，至SOC 為100%，延時5 s 結束充電。

電芯1 熱失控測試方案：設定加熱膜加熱功率為200 W 對電芯進行加熱，直至電芯發(fā)生熱失控，監(jiān)測電池溫度變化，每1 s 采集1 次溫度信號。

電芯2 熱失控測試方案：設定加熱膜加熱功率為200 W 對電芯進行加熱，當電芯底部溫度達到120℃，停止加熱。觀察電芯溫度變化情況，若電池溫度下降，開啟加熱功能將電池底部溫度加熱至160℃，停止加熱。觀察電芯溫度變化情況，若電池溫度下降，開啟加熱功能將電池底部溫度加熱至200℃，停止加熱。觀察電芯溫度變化情況，若電池溫度下降，開啟加熱功能將電池底部溫度加熱至240℃，停止加熱。以此類推，直至電池能夠自發(fā)溫升至失控，監(jiān)測電池溫度變化，每1 s采集1 次溫度信號。

2.3 電芯熱失控試驗結果及分析

2 個失控電芯一個從極耳噴射，一個從側邊噴射，噴射位置不同。從觸發(fā)失控鼓脹到開始噴射起火間隔時間較短，幾乎同時發(fā)生。

電芯1 在電芯上表面布置3 個溫度傳感器T1、T2和T3，加熱膜布置在電芯下表面，如圖1 所示，電芯加熱至1 138 s，發(fā)生自發(fā)反應，溫度呈下降趨勢，至1 198 s，電芯發(fā)生完全失控，電芯溫度瞬間上升至500℃，迅速完成燃燒過程，燃燒持續(xù)時間約200 s，電芯1 在發(fā)生失控鼓脹后從極耳處噴射火焰。

圖1 電芯1 熱失控結果

電芯2 上表面布置3 個溫度傳感器，加熱膜布置在電芯下表面，中間布置2 個溫度傳感器，極耳處布置1 個溫度傳感器監(jiān)測外焰溫度，如圖2 所示。電芯分別加熱至120℃、160℃及200℃，電芯均未發(fā)生自發(fā)失控；當電芯溫度上升至240℃時，時間為1 345 s，電池開始發(fā)生自發(fā)失控，至1 385 s 電芯發(fā)生完全失控，電芯表面溫度迅速上升至最高700℃，燃燒持續(xù)時間約200 s，電芯在發(fā)生失控鼓脹后從側邊噴射火焰。

圖2 電芯2 熱失控結果

從以上試驗可以看出，當電芯之間沒有阻燃性材料，發(fā)生熱失控的電芯會將火焰引入相鄰電芯，相鄰電芯迅速達到熱失控溫度發(fā)生熱失控，并依次循環(huán)直至所有電芯全部失控燃燒完。從第1 個電芯開始，相鄰電芯發(fā)生熱失控的時間間隔越來越短，至第5 和第6 個電芯熱失控幾乎同時發(fā)生，這是由于隨著電芯熱失控的進行，通過熱傳導或對流的方式遠處電芯已達到極高的溫度（接近電芯熱失控溫度或達到電芯分解的溫度），當前1 個電芯發(fā)生失控的同時，相鄰高溫電芯會快速達到失控溫度發(fā)生失控。

防護方案有以下2 種：

1）相鄰電芯用阻燃材料包裹（特別是電芯失控后容易發(fā)生噴射的位置，如軟包電芯極耳處），達到隔絕火焰的作用，失控電芯與相鄰電芯僅能通過熱傳導傳遞熱量，加上電芯之間的隔熱材料減少熱傳導帶來的熱量傳遞，從而達到隔火隔熱的作用，降低相鄰電芯發(fā)生熱失控的概率；

2）在模組外側增加防火罩，可以將模組發(fā)生失控時噴射的火焰進行控制，按照固定的方向和位置噴出，防止引燃其他模組，同時可以防止燒穿箱體引燃電池箱體外部部件。

3 仿真驗證

利用Starccm+仿真軟件搭建模組外側增加防火罩，利用方式引發(fā)電芯熱失控，研究防火罩對模組熱失控影響。圖3 為模組外側阻燃罩模型及電芯排布模型。

圖3 模組阻燃模型及電芯排布模型

熱失控電芯、模組采用加熱方式，共計18 根熱電偶。其中，模組內布置13 個熱電偶，模組外在防護罩表面布置5 個熱電偶，如圖4 和表1 所示。

圖4 熱電偶布置位置

表1 熱電偶編號、布置位置

3.1 相鄰電芯無阻燃材料熱失控仿真分析

模擬電池起火燃燒需要定義輸入條件。單體鋰電池主要由電解液、隔膜、正負極及隔膜組成。按照表2中參數(shù)輸入，建立與實際電芯結構接近的物理模型如圖5 所示。

表2 電芯材料熱力學參數(shù)

圖5 相鄰電芯無阻燃材料模型

相鄰電芯之間無阻燃防火措施，測試結果如圖6、圖7 所示，當一個電芯發(fā)生失控，電解液噴射燃燒，會直接作用在相鄰電芯，造成連續(xù)引燃。從第1 個電芯開始，相鄰電芯發(fā)生熱失控的時間間隔越來越短，至第5和第6 個電芯熱失控幾乎同時發(fā)生，這是由于隨著電芯熱失控的進行，通過熱傳導或對流的方式使遠處電芯已達到極高的溫度（接近電芯熱失控溫度或達到電芯分解的溫度），當前1 個電芯發(fā)生失控的同時，相鄰高溫電芯會快速達到失控溫度發(fā)生失控。

圖6 相鄰電芯無阻燃材料熱失控過程溫度場

圖7 相鄰電芯無阻燃材料模組熱失控溫升

當電芯發(fā)生連續(xù)熱失控，防火罩表面溫度場如圖8、圖9 所示，防火罩表面最高溫度363℃，完全通過與模組殼體的直接接觸傳熱，該溫度不會使阻燃材料燃燒或失效（阻燃材料失效溫度＞1 000℃），起了隔絕火焰的作用，避免引燃相鄰模組。

圖8 相鄰電芯無阻燃材料熱失控過程防火罩溫度場

圖9 相鄰電芯無阻燃材料模組熱失控防火罩溫升

3.2 相鄰電芯之間防火隔離仿真分析

按照相鄰電芯間無阻燃材料模型邊界條件搭建增加阻燃材料模型，如圖10 所示。

圖10 相鄰電芯增加阻燃材料模型

相鄰電芯用阻燃材料包裹，起到了隔絕火焰的作用，失控電芯與相鄰電芯僅通過熱傳導傳遞熱量，加上電芯之間的隔熱材料減少熱傳導帶來的熱量傳遞，從而達到隔火隔熱的作用，相鄰電芯未達到熱失控溫度，如圖11、圖12 所示。

圖11 相鄰電芯增加阻燃材料熱失控過程溫度場

圖12 相鄰電芯增加阻燃材料模組熱失控溫升

當電芯未發(fā)生連續(xù)失控，阻燃材料表面溫度如圖13、圖14 所示，阻燃材料表面最高溫度240℃，完全通過與模組殼體直接接觸傳熱，該溫度不會使阻燃材料燃燒或失效，起了隔絕火焰的作用，避免引燃相鄰模組。

圖13 相鄰電芯增加阻燃材料模組熱失控防火罩溫度場

圖14 相鄰電芯增加阻燃材料模組熱失控防火罩溫升

4 結論

相鄰電芯用阻燃材料包裹，起到了隔絕火焰的作用，相鄰電芯未達到熱失控溫度。阻燃材料表面最高溫度240℃，完全通過與模組殼體的直接接觸傳熱，該溫度不會使阻燃材料燃燒或失效，起了隔絕火焰的作用，避免引燃相鄰模組。仿真結果為電池包熱擴散防護提供理論基礎，節(jié)約設計成本，縮短項目周期。