中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：本文亮點(diǎn)：基于實(shí)尺度試驗(yàn)，對儲(chǔ)能用280Ah磷酸鐵鋰電池單體的產(chǎn)熱、產(chǎn)氣特征以及1P48S真實(shí)儲(chǔ)能電池模組的熱失控?cái)U(kuò)散行為進(jìn)行了研究，并基于產(chǎn)氣結(jié)果分析了電池模組燃爆風(fēng)險(xiǎn)
隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的不斷推進(jìn)，依托儲(chǔ)能技術(shù)來支撐新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建已成為能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)型的重要任務(wù)?；诖耍凿囯x子電池儲(chǔ)能為代表的新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)近年來得到了飛速發(fā)展，根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的不完全統(tǒng)計(jì)，2023年我國新型儲(chǔ)能新增投運(yùn)規(guī)模21.5 GW/46.6 GWh，是2022年新增投運(yùn)規(guī)模水平的3倍。然而，鋰離子電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，因電池?zé)崾Э囟l(fā)的安全問題亦日趨嚴(yán)峻。繼2021年北京大紅門儲(chǔ)能項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)爆炸事故后，全球鋰離子電池儲(chǔ)能電站又先后發(fā)生了十余起重大安全事故，安全已成為制約產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。
目前，我國鋰離子電池儲(chǔ)能電站主要采用280 Ah磷酸鐵鋰(LFP)電池，LFP電池?zé)崾Э睾笠话悴划a(chǎn)生火焰，但會(huì)釋放出大量因內(nèi)部反應(yīng)而生成的可燃混合氣體，且隨著熱失控在電池模組內(nèi)的蔓延，大量可燃?xì)怏w排放入儲(chǔ)能艙等受限空間內(nèi)，存在一定的燃爆風(fēng)險(xiǎn)。近年來，國內(nèi)外研究人員對LFP電池的熱失控特征與熱失控傳播行為進(jìn)行了一定程度的研究。李磊等研究了過充觸發(fā)的LFP電池和NCM電池的熱失控行為差異。梅文昕等通過數(shù)值模擬方法，研究了LFP電池在6種不同高溫加熱條件下的熱失控特征和溫度分布。Huang等試驗(yàn)研究了不同加熱部位對LFP電池?zé)崾Э販囟?、排氣速度以及?nèi)部熱失控傳播過程的影響。在與燃爆相關(guān)的電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣特征方面，Yang等和程志翔等分別對8類圓柱形LFP電池和大容量LFP電池進(jìn)行了熱失控試驗(yàn)，分析了主要?dú)怏w成分，發(fā)現(xiàn)H2和CO2的占比均超過30%。Jia等通過對86 Ah儲(chǔ)能用LFP電池的熱失控試驗(yàn)，對比分析了過充和過熱觸發(fā)條件下電池?zé)崾Э?產(chǎn)氣行為，發(fā)現(xiàn)兩種觸發(fā)條件下熱失控產(chǎn)氣的主要成分為CO2、C2H4、H2、CO和CH4，總產(chǎn)氣體積分別為101.28 L和62.1 L。
對電池成組后熱失控的擴(kuò)散問題亦是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。張青松等研究了不同SOC及不同排列間隔的鋰離子電池組熱失控傳播特性。王庭華等在模組箱內(nèi)進(jìn)行了3塊86 Ah LFP電池的熱失控傳播實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)箱體空間內(nèi)有限的氧氣供給會(huì)對熱失控傳播起到減速作用。Zhou等通過對50 Ah LFP電池組成的模組進(jìn)行熱失控傳播實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了垂直方向上的熱失控傳播特性。Song等通過實(shí)驗(yàn)分析了不同SOC下280 Ah LFP電池在熱失控傳播過程中的溫度、傳播時(shí)間和速度等關(guān)鍵特性參數(shù)，揭示了大尺度LFP模組熱失控傳播過程中的能量流分布。此外，研究人員還采用數(shù)值模擬的方法，研究了電池模組熱失控傳播過程中的產(chǎn)氣行為和模組內(nèi)的氣體擴(kuò)散特征。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有對LFP電池?zé)崾Э靥卣鳌鞑バ袨榕c燃爆方面的研究主要是基于中小尺度實(shí)驗(yàn)，對目前實(shí)際儲(chǔ)能應(yīng)用場景使用的大容量LFP電池單體熱失控特征參數(shù)，特別是燃爆相關(guān)參數(shù)，以及真實(shí)電池模組熱失控傳播特征的研究還有待進(jìn)一步完善，對真實(shí)模組熱失控?cái)U(kuò)散后燃爆風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)與評(píng)估有待進(jìn)一步加強(qiáng)。
本文以儲(chǔ)能用280 Ah磷酸鐵鋰電池及其組成的1P48S真實(shí)儲(chǔ)能電池模組為研究對象，通過從單體到模組的連貫性實(shí)驗(yàn)，對電池單體的產(chǎn)熱、產(chǎn)氣特征以及真實(shí)模組內(nèi)的熱失控蔓延行為進(jìn)行定量分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合儲(chǔ)能不同應(yīng)用場景，來評(píng)估不同尺寸受限空間內(nèi)模組級(jí)熱失控導(dǎo)致的燃爆風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)結(jié)果可為電池模組熱阻隔設(shè)計(jì)和儲(chǔ)能系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)裝置與方案
1.1 實(shí)驗(yàn)對象
以規(guī)模化儲(chǔ)能使用的280Ah磷酸鐵鋰電池為單體研究對象，電池的相關(guān)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)使用的真實(shí)模組是由48塊280 Ah電池單體串聯(lián)而成的液冷模組，模組箱體尺寸(長×寬×高)為1068 mm×786 mm×251 mm，整個(gè)模組重量約為329 kg，模組實(shí)物如圖1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)用電池基本參數(shù)
圖1 模組實(shí)物圖
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方案
（1）單體電池?zé)崾Э卦囼?yàn)
對于單體電池，利用密閉壓力容器進(jìn)行熱失控實(shí)驗(yàn)以收集熱失控產(chǎn)生的混合氣體，進(jìn)而利用氣相色譜儀和爆炸極限測試儀來測量混合氣體的組分和爆炸極限。壓力容器內(nèi)部空間為320 L，配套有抽真空系統(tǒng)、充氮系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和3路氣體采樣系統(tǒng)，同時(shí)集成了壓力傳感器和多路熱電偶等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)物如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)GB/T 36276—2018《電力儲(chǔ)能用鋰離子電池》的有關(guān)要求，選擇功率為800 W加熱板設(shè)置在電池一側(cè)，并在兩側(cè)放置云母隔熱板以減少散熱，將電池、加熱板和隔熱板用夾具進(jìn)行固定后放置于壓力容器內(nèi)支架上。在電池表面布置7個(gè)熱電偶測溫點(diǎn)(T0—T6)，分別位于電池加熱面中心，電池非加熱面上、中、下位置，電池側(cè)面中心以及負(fù)極和安全閥附近位置，如圖3所示。
圖2 320L電池?zé)崾Э卦囼?yàn)裝置
圖3 電池單體熱電偶布置示意
實(shí)驗(yàn)過程中，除測量電池表面溫度外，還有多路熱電偶測量壓力容器內(nèi)環(huán)境溫度。當(dāng)電池?zé)崾Э睾笕萜鲀?nèi)的壓力穩(wěn)定、溫度恢復(fù)室溫后，開啟采樣系統(tǒng)收集混合氣體，并將收集到的混合氣體通入GC2000氣相色譜儀中來分析氣體組分，進(jìn)而采用爆炸極限測試儀來測定混合氣體爆炸極限，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的示意如圖4所示。
圖4 單體電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)示意圖
（2）電池模組熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)
對于真實(shí)電池模組，在相對開敞的空間內(nèi)進(jìn)行模組熱失控傳播實(shí)驗(yàn)。模組內(nèi)分四排布設(shè)共48塊280 Ah的LFP電池，選擇一排中心處2塊電池(18#、19#)同時(shí)進(jìn)行雙面加熱，為了降低熱量在電池間傳遞，未與加熱板接觸的電池之間設(shè)置有氣凝膠隔熱板。在與加熱板接觸17#、18#、19#、20#電池的兩個(gè)大面中心位置和負(fù)極區(qū)域(T19~T22)均布設(shè)熱電偶，其余電池在遠(yuǎn)離加熱板的大面中心位置布設(shè)熱電偶。在上下相鄰排電池側(cè)表面亦設(shè)置多個(gè)熱電偶，具體電池和熱電偶布置與編號(hào)情況如圖5所示。此外，為了測量模組箱體外殼溫度，在外殼表面除底面外的各面上均布設(shè)熱電偶。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過加熱系統(tǒng)控制電池表面以5℃/min的速率進(jìn)行升溫，直到電池出現(xiàn)明顯的熱失控溫升現(xiàn)象時(shí)關(guān)閉加熱系統(tǒng)，進(jìn)而觀測模組內(nèi)熱失控傳播情況。
圖5 真實(shí)模組內(nèi)熱電偶布置示意圖
2 單體電池?zé)崾Э禺a(chǎn)熱、產(chǎn)氣特征
針對儲(chǔ)能用100%SOC的280 Ah磷酸鐵鋰單體電池，研究熱濫用條件下電池的熱失控行為、溫度變化規(guī)律及產(chǎn)氣組分和爆炸極限特征。
2.1 電池溫度分析
圖6給出了壓力容器內(nèi)電池表面典型位置處溫度T4以及電池電壓隨時(shí)間的發(fā)展變化情況。由圖可知，試驗(yàn)開始后，加熱板表面溫度持續(xù)升高，由于T4測點(diǎn)靠近加熱面，在熱傳導(dǎo)作用下溫度呈近線性升高趨勢。當(dāng)加熱開始后8 min13 s，電池安全閥打開排氣，電池電壓出現(xiàn)一定程度的下降和擾動(dòng)，T4測點(diǎn)溫度來到約107.9 ℃，由于安全閥排氣帶走了一定的熱量，在焦耳-湯普遜效應(yīng)下溫度下降約8 ℃。隨著電池內(nèi)部反應(yīng)的逐漸加劇，在11 min23 s時(shí)電池發(fā)生熱失控，電池電壓開始出現(xiàn)急劇的下降，此時(shí)T4測點(diǎn)溫度為209.5 ℃。熱失控發(fā)生后電池表面溫度迅速上升，在15 min18 s時(shí)達(dá)到最高溫度約351.8 ℃。隨后，電池內(nèi)部反應(yīng)基本停止，溫度逐漸下降。
圖6 典型測點(diǎn)溫度和電壓變化
電池表面不同位置測點(diǎn)測得的溫度隨時(shí)間的變化情況如圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于不同位置傳導(dǎo)而來的熱量不同，各測點(diǎn)升溫速度有所區(qū)別，安全閥處T6測點(diǎn)溫升最快，在排氣開始時(shí)溫度已達(dá)到121.2 ℃，為各測點(diǎn)溫度中最高值，但熱失控發(fā)生后該位置升溫速率有所放緩，最高溫度僅243.5 ℃。除T6和T4測點(diǎn)外，其他位置測點(diǎn)在加熱初期溫度上升均相對緩慢，特別是非加熱大面的中部和下部測點(diǎn)，在安全閥開啟時(shí)溫度分別為38.9 ℃和50.8 ℃，電池?zé)崾Э匕l(fā)生時(shí)溫度分別為66.7 ℃和101.8 ℃，其中中部位置測點(diǎn)T2熱失控發(fā)生時(shí)的溫度為所有測點(diǎn)中最低。當(dāng)熱失控發(fā)生后，非加熱大面的3個(gè)測點(diǎn)溫度出現(xiàn)快速上升，升溫速率顯著增大，最高溫度分別為380.1 ℃、360.5 ℃和341.1 ℃，其中T1測點(diǎn)的最高溫度為整個(gè)熱失控過程中電池表面溫度的最大值。
圖7 電池表面各測點(diǎn)溫度變化
2.2 電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣組分與爆炸極限分析
根據(jù)320 L壓力容器內(nèi)的壓力測量結(jié)果，容器內(nèi)溫度恢復(fù)至室溫25 ℃且壓力穩(wěn)定時(shí)的艙內(nèi)壓力為151.6 kPa。利用理想氣體狀態(tài)方程來計(jì)算壓力容器內(nèi)的氣體量：
利用氣相色譜儀對電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的混合氣體進(jìn)行成分分析，所得結(jié)果如圖8所示。由圖可知，氫氣和二氧化碳為混合氣體的主要組成部分，體積占比分別為42.19%和27.56%，一氧化碳、甲烷和乙烯的體積占比亦超過6%，而其他氣體體積占比相對較低。
圖8 電池?zé)崾Э蒯尫艢怏w各組分體積比
根據(jù)得到的混合氣體成分，采用理論方法計(jì)算混合氣體的爆炸極限。在已知混合氣體中各類氣體體積分?jǐn)?shù)和相應(yīng)的爆炸極限時(shí)，可采用勒夏特列公式計(jì)算混合氣體爆炸極限，見公式(2)。然而，電池?zé)崾Э貧怏w中含有不可燃的二氧化碳?xì)怏w，因此需采用改進(jìn)的勒夏特列公式，見公式(3)，先計(jì)算二氧化碳和氫氣復(fù)合氣的爆炸極限，再代入式(2)計(jì)算得到熱失控氣體的爆炸極限。
通過理論計(jì)算得到混合氣體的爆炸極限為5.0%~46.1%。進(jìn)一步利用爆炸極限測試儀對電池?zé)崾Э蒯尫诺幕旌蠚怏w的爆炸上、下限進(jìn)行實(shí)測，得到混合氣體的爆炸下限為6.9%，爆炸上限為35.5%。對比發(fā)現(xiàn)，理論方法得到的混合氣體爆炸極限與實(shí)測值存在一定偏差，但結(jié)果更為保守。
3 電池模組熱失控傳播行為
3.1 熱失控傳播現(xiàn)象
模組內(nèi)電池?zé)崾Э貍鞑ミ^程如圖9所示。實(shí)驗(yàn)開始后同時(shí)對18#、19#電池的兩側(cè)大面進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱37 min30 s后，19#電池的安全閥打開開始排出氣體，74 s后18#電池亦開閥排氣，隨著排氣量增加、模組內(nèi)壓力增大，模組外殼出現(xiàn)了輕微鼓脹，隨即泄壓閥開啟，有少量氣體從模組內(nèi)逸出，如圖9(a)所示。當(dāng)加熱50 min2 s后，18#和19#電池幾乎同時(shí)發(fā)生熱失控，釋放出大量氣體并在外部環(huán)境中擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至52 min16 s后，17#和20#電池相繼開閥排氣，隨即20#電池發(fā)生熱失控，大量氣體的排放導(dǎo)致外部環(huán)境氣體濃度升高，模組外部煙氣籠罩形成遮擋約40s，如圖9(f)所示。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至58 min15 s，16#和21#電池在相鄰電池?zé)崾Э赜绊懴孪嗬^開閥排氣，35 s后16#電池發(fā)生熱失控，大量氣體在外部環(huán)境擴(kuò)散彌漫，隨后21#電池發(fā)生熱失控，外部環(huán)境中氣體量持續(xù)較大，直至250 s后外部氣體才基本消散。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始后66 min45 s，整個(gè)模組的產(chǎn)氣過程才基本停止。雖然有隔熱板阻隔，但22#電池還是在實(shí)驗(yàn)開始后約112 min出現(xiàn)了安全閥的開啟排氣現(xiàn)象，但未發(fā)生熱失控。
圖9 真實(shí)模組熱失控傳播實(shí)驗(yàn)過程
總體而言，模組內(nèi)與加熱板相接的4塊電池(17#、18#、19#、20#)及其兩側(cè)2塊電池(16#、21#)，共6塊電池發(fā)生了熱失控，其余電池在氣凝膠隔熱板的保護(hù)下均未發(fā)生熱失控。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中均未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。
3.2 溫度分布分析
圖10給出了被雙面加熱電池表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)初始階段在加熱板的影響下，表面溫度基本呈線性上升趨勢。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始37 min30 s電池開閥排氣后，溫度曲線經(jīng)歷短暫的小幅振蕩，隨后呈線性上升，直至50 min2 s電池發(fā)生熱失控后，電池表面溫度才出現(xiàn)了快速上升，特別是T5位置測點(diǎn)基本無須向兩側(cè)電池傳遞熱量，溫度率先上升，最高溫度達(dá)659.5 ℃，而T4和T6測點(diǎn)因向兩側(cè)電池的熱量傳遞使得溫度先下降后急劇上升，T4位置最高溫度達(dá)693.4 ℃。隨后，17#、20#和16#、21#電池先后發(fā)生熱失控，在熱量的傳遞與積累作用下，溫度-時(shí)間曲線又出現(xiàn)了多個(gè)峰值，其中以所有6塊電池?zé)崾Э睾笮纬傻姆逯底畲螅瑴囟瘸?200 ℃。
圖10 雙面加熱電池溫度-時(shí)間曲線
為了進(jìn)一步研究模組內(nèi)電池?zé)崾Э氐臄U(kuò)散情況，對被加熱電池兩側(cè)電池的表面溫度進(jìn)行分析，如圖11所示。由圖可知，在單側(cè)加熱板加熱作用下，17#和20#電池的非加熱面測點(diǎn)T8和T14的溫度緩慢升高，并在18#、19#電池?zé)崾Э厍斑_(dá)到76.2 ℃，隨后，在熱失控電池的熱量傳遞和加熱板加熱的雙重作用下，電池溫度出現(xiàn)一定程度升高，達(dá)到近200 ℃，隨著電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生，表面溫度快速升高至436.0 ℃。當(dāng)16#、21#電池發(fā)生熱失控后，由于電池一側(cè)存在氣凝膠隔熱板，故熱失控能量主要向17#和20#電池方向傳遞，同時(shí)模組箱體的存在加劇了熱量積聚，使得T8和T14測點(diǎn)溫度出現(xiàn)大幅升高，最高溫度達(dá)1017.3 ℃。對于16#和21#電池表面測點(diǎn)T9和T15，18#、19#電池的熱失控對其影響不大，表面最大溫度未超過100 ℃，隨著17#、20#電池的熱失控，兩測點(diǎn)溫度才出現(xiàn)較為明顯上升，最高達(dá)243.5 ℃。當(dāng)其自身發(fā)生熱失控后，在隔熱板的影響下大量熱量未得到有效釋放，最高溫度達(dá)863.2 ℃。對于15#電池，在隔熱板的影響下其表面T10測點(diǎn)溫度在16#電池發(fā)生熱失控前基本沒有顯著變化，16#電池?zé)崾Э睾笠騻鬟f來的少量熱量導(dǎo)致溫度升高到278.9 ℃，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過程中測點(diǎn)溫度在150 ℃附近維持一段時(shí)間后下降，整個(gè)過程中電池未發(fā)生熱失控。對于22#電池，其表面測點(diǎn)溫度在18#和19#電池發(fā)生熱失控時(shí)便出現(xiàn)了較為明顯的上升，達(dá)127.5 ℃，且隨著相鄰的21#電池發(fā)生熱失控，溫度升高至230 ℃以上，最高達(dá)257.3 ℃，在該溫度下電池于112 min發(fā)生了開閥排氣，表面溫度在經(jīng)歷一定程度的下降后又因電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)上升，最高溫度超250 ℃，但該電池最終并未發(fā)生熱失控。
圖11 被加熱電池兩側(cè)電池表面的溫度-時(shí)間曲線
圖12和圖13分別給出了相鄰排電池側(cè)壁典型測點(diǎn)溫度以及模組箱體外表面不同位置溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在熱失控電池高溫影響下，相鄰電池測點(diǎn)溫度呈現(xiàn)多個(gè)峰值，其中靠近中心雙加熱板加熱電池的T33測點(diǎn)最高溫度達(dá)867.7 ℃，且高溫持續(xù)一段時(shí)間，但并未觸發(fā)電池?zé)崾Э?。其他測點(diǎn)溫度是在與各自同列電池發(fā)生熱失控后才顯著升高，但最高溫度較低且持續(xù)時(shí)間較短。對于箱體溫度，因熱失控高溫氣體在頂部積聚，箱體上表面溫度在整個(gè)試驗(yàn)過程中均高于其他位置，最高達(dá)281.3 ℃，且溫度大于100 ℃時(shí)間超過95 min。箱體右側(cè)面溫度亦相對較高，在熱失控過程中最高達(dá)92.9 ℃，左側(cè)面和前側(cè)面溫度在整個(gè)試驗(yàn)過程中基本未超過50 ℃?？傮w而言，除上表面外，模組箱體其他表面在整個(gè)試驗(yàn)過程中的溫度未超過100 ℃。
圖12 相鄰排電池側(cè)壁溫度-時(shí)間曲線
圖13 模組箱體外表面不同位置溫度-時(shí)間曲線
3.3 熱量傳遞特征分析
電池模組內(nèi)熱失控傳播過程中的能量流動(dòng)主要分為：①加熱電池本身的熱量；②向兩側(cè)電池傳遞的熱量；③通過對流和輻射向周圍散失的熱量；④熱失控產(chǎn)氣帶走的熱量。根據(jù)280 Ah電池在開敞空間的熱失控傳播試驗(yàn)研究可知，電池通過對流和輻射向環(huán)境散失的熱量在總能量中占比很小，而對于本試驗(yàn)所使用的液冷模組，在熱失控傳播過程中會(huì)形成模組箱體內(nèi)高溫環(huán)境，使得電池與箱內(nèi)環(huán)境間溫差降低，對流和輻射散熱量更低，在能量分析時(shí)可忽略不計(jì)。此外，由于產(chǎn)氣帶走的熱量無法量化，故本節(jié)重點(diǎn)針對電池間以熱傳導(dǎo)形式傳遞的熱量來進(jìn)行熱傳遞特征分析。
根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，可得到熱流密度計(jì)算公式，見式(4)、式(5)，通過將熱流密度在特定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分便可得到相鄰電池間由熱傳導(dǎo)傳遞的熱量，見式(6)。
式中，ttr, i為i號(hào)電池發(fā)生熱失控時(shí)間，s；ttr, j為j號(hào)電池發(fā)生熱失控時(shí)間，s。
圖14給出了模組內(nèi)被加熱排電池?zé)崾Э貍鞑サ乃俣扰c傳熱量。由于17#~20#電池均與加熱板相接觸，因此重點(diǎn)分析17#電池至16#電池及20#電池至21#電池的兩條傳熱路徑。由圖可知，真實(shí)模組內(nèi)電池間的熱失控傳播速度為0.162~0.233 mm/s，明顯大于開敞環(huán)境下的傳播速度(0.05~0.12 mm/s)，原因是模組外殼會(huì)造成熱量的積聚，使得電池在熱失控反應(yīng)過程中相鄰電池會(huì)在高溫環(huán)境和噴濺電解液的影響下出現(xiàn)溫度累積，縮短相鄰電池間的熱失控發(fā)生時(shí)間，加快傳播速度。
圖14 模組內(nèi)電池間熱失控傳播速度與傳熱量
兩條傳熱路徑上由于電池間發(fā)生熱失控的時(shí)間差不同，傳遞的熱量亦有所不同。對于20#電池至21#電池路徑，電池間發(fā)生熱失控的時(shí)間差較長，傳遞的熱量較高，為197.8 kJ。對于17#電池至16#電池路徑，熱失控時(shí)間差短，且17#電池?zé)崾Э匕l(fā)生的溫度較低(130.1 ℃)，在熱量累積作用下17#和16#電池間的溫差縮小，從而使得從17#電池向16#電池傳遞的熱量相對較低，僅為72.6 kJ，小于開敞空間條件下電池間的傳熱值，也一定程度上反映了模組外殼導(dǎo)致的熱量積聚效應(yīng)對熱量傳遞的影響。
4 電池模組熱失控燃爆風(fēng)險(xiǎn)分析
根據(jù)上述分析可知，模組內(nèi)電池發(fā)生熱失控傳播擴(kuò)散后，會(huì)向外部空間釋放大量可燃混合氣體，而模組是存在于儲(chǔ)能柜乃至儲(chǔ)能集裝箱等受限空間內(nèi)的，一旦受限空間內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸下限，便會(huì)大大增加發(fā)生燃爆事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本節(jié)基于電池單體、模組試驗(yàn)相關(guān)結(jié)果，針對目前國內(nèi)應(yīng)用相對較多的大規(guī)模場站用預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)和工商業(yè)用儲(chǔ)能柜，開展2種典型場景下的燃爆風(fēng)險(xiǎn)分析。
對于預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)，選擇外部尺寸為9340 mm×1730 mm×2600 mm(長×寬×高)的某真實(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，其設(shè)置有2個(gè)單獨(dú)的電池艙室，每個(gè)艙內(nèi)放置8行3列共24個(gè)電池模組。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)模型尺寸計(jì)算得到單個(gè)電池艙內(nèi)的凈空間體積約為5 m3。基于熱濫用試驗(yàn)測得的單個(gè)電池?zé)崾Э睾筢尫艢怏w體積與爆炸極限以及真實(shí)模組內(nèi)熱失控電池?cái)?shù)量，在假設(shè)空間內(nèi)可燃?xì)怏w均勻分布的條件下，通過式(4)估算得到模組熱失控?cái)U(kuò)散發(fā)生后，儲(chǔ)能系統(tǒng)電池艙內(nèi)的熱失控可燃?xì)怏w濃度約為13.6%，處于爆炸極限內(nèi)，電池艙發(fā)生燃爆的風(fēng)險(xiǎn)較高。此外，通過熱失控釋放氣體的爆炸下限，亦可估算得到當(dāng)模組內(nèi)熱失控電池?cái)?shù)量控制在2個(gè)以內(nèi)時(shí)，電池艙發(fā)生燃爆的風(fēng)險(xiǎn)便相對較低。
對于工商業(yè)用儲(chǔ)能柜，選擇外部尺寸為1150 mm×2450 mm×1610 mm(寬×高×深)的某真實(shí)儲(chǔ)能柜，其內(nèi)部放置有4個(gè)電池模組及PCS等元器件。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)模型尺寸計(jì)算得到柜內(nèi)凈空間體積約為0.4 m3，使得該空間達(dá)到爆炸極限的熱失控氣體體積為27.6~142 L。因此，只有在模組內(nèi)1塊電池發(fā)生開閥產(chǎn)氣直至熱失控的過程中才存在較高的燃爆風(fēng)險(xiǎn)，而當(dāng)熱失控傳播發(fā)生后，儲(chǔ)能柜燃爆風(fēng)險(xiǎn)反而降低。
綜上，對于預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)，除應(yīng)采取相關(guān)熱管理、探測預(yù)警手段防止電池單體熱失控發(fā)生外，進(jìn)行良好的模組熱阻隔設(shè)計(jì)、防止模組內(nèi)發(fā)生熱失控蔓延對于降低燃爆風(fēng)險(xiǎn)亦十分關(guān)鍵，而對于工商業(yè)用儲(chǔ)能柜，應(yīng)采用更為先進(jìn)、高效的熱管理，探測預(yù)警等手段來防止初始的電池單體熱失控發(fā)生。
5 結(jié) 論
本文對儲(chǔ)能用280 Ah磷酸鐵鋰電池單體的產(chǎn)熱、產(chǎn)氣特征以及1P48S真實(shí)儲(chǔ)能電池模組的熱失控?cái)U(kuò)散行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并基于產(chǎn)氣分析結(jié)果對電池模組的燃爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了理論分析，得到主要結(jié)論如下：
（1）在加熱條件下，單體電池的熱失控起始溫度為209.5 ℃，熱失控最高溫度為380.1 ℃，熱失控后釋放混合氣體總量為156.8 L，主要由氫氣(42.19%)、二氧化碳(27.56%)、乙烯(8.56%)和甲烷(7.96%)等組成，混合氣體的實(shí)測爆炸極限為6.9%~35.5%。
（2）在2塊電池同時(shí)雙面加熱條件下，真實(shí)電池模組內(nèi)氣凝膠隔熱板間的共6塊電池發(fā)生熱失控，且在熱失控?zé)崃糠e累及隔熱板、模組箱體對熱量的積聚作用下，熱失控電池表面最高溫度顯著增大，最高溫度超1200 ℃，相鄰排電池側(cè)壁亦出現(xiàn)超500 ℃高溫，但均未發(fā)生熱失控，模組箱體外部上表面溫度在整個(gè)試驗(yàn)過程中最高達(dá)281.3 ℃，其他表面溫度均未超過100 ℃。模組內(nèi)電池間的熱失控傳播速度為0.162~0.233 mm/s，且兩條傳熱路徑(17#→16#、20#→21#)上因熱傳導(dǎo)而傳遞的熱量明顯不同。
（3）電池模組內(nèi)發(fā)生多塊電池的熱失控會(huì)導(dǎo)致預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)較高的燃爆風(fēng)險(xiǎn)，但當(dāng)熱失控傳播控制在2個(gè)電池以內(nèi)時(shí)，預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)的燃爆風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大降低。對于工商業(yè)用儲(chǔ)能柜，模組內(nèi)的1塊電池發(fā)生開閥產(chǎn)氣直至熱失控的過程中便存在較高的燃爆風(fēng)險(xiǎn)，而當(dāng)熱失控傳播發(fā)生后儲(chǔ)能柜的燃爆風(fēng)險(xiǎn)反而降低。因此，對于不同的儲(chǔ)能應(yīng)用場景，應(yīng)有針對性地進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。
