中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：本文亮點(diǎn)：基于實(shí)尺度試驗(yàn)，對(duì)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(lái)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?，以鋰離子電池儲(chǔ)能為代表的新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)近年來(lái)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(guó)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(wèn)題亦日趨嚴(yán)峻。繼2021年北京大紅門(mén)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(guó)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(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)LFP電池?zé)崾Э販囟取⑴艢馑俣纫约皟?nèi)部熱失控傳播過(guò)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(duì)8類(lèi)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(guò)30%。Jia等通過(guò)對(duì)86 Ah儲(chǔ)能用LFP電池的熱失控試驗(yàn)，對(duì)比分析了過(guò)充和過(guò)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(duì)電池成組后熱失控的擴(kuò)散問(wèn)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(duì)熱失控傳播起到減速作用。Zhou等通過(guò)對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)分析了不同SOC下280 Ah LFP電池在熱失控傳播過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)LFP電池?zé)崾Э靥卣?、傳播行為與燃爆方面的研究主要是基于中小尺度實(shí)驗(yàn)，對(duì)目前實(shí)際儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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?xún)?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(duì)象，通過(guò)從單體到模組的連貫性實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(chǎng)景，來(lái)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(duì)象
以規(guī)?；瘍?chǔ)能使用的280Ah磷酸鐵鋰電池為單體研究對(duì)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(zhǎng)×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(duì)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(cè)試儀來(lái)測(cè)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(cè)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(guò)程中，除測(cè)量電池表面溫度外，還有多路熱電偶測(cè)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(kāi)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(lái)分析氣體組分，進(jìn)而采用爆炸極限測(cè)試儀來(lái)測(cè)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(duì)于真實(shí)電池模組，在相對(duì)開(kāi)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(cè)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(guò)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(guān)測(cè)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(duì)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(kāi)始后，加熱板表面溫度持續(xù)升高，由于T4測(cè)點(diǎn)靠近加熱面，在熱傳導(dǎo)作用下溫度呈近線(xiàn)性升高趨勢(shì)。當(dāng)加熱開(kāi)始后8 min13 s，電池安全閥打開(kāi)排氣，電池電壓出現(xiàn)一定程度的下降和擾動(dòng)，T4測(cè)點(diǎn)溫度來(lái)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(kāi)始出現(xiàn)急劇的下降，此時(shí)T4測(cè)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(cè)點(diǎn)溫度和電壓變化
電池表面不同位置測(cè)點(diǎn)測(cè)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(lái)的熱量不同，各測(cè)點(diǎn)升溫速度有所區(qū)別，安全閥處T6測(cè)點(diǎn)溫升最快，在排氣開(kāi)始時(shí)溫度已達(dá)到121.2 ℃，為各測(cè)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(cè)點(diǎn)外，其他位置測(cè)點(diǎn)在加熱初期溫度上升均相對(duì)緩慢，特別是非加熱大面的中部和下部測(cè)點(diǎn)，在安全閥開(kāi)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(cè)點(diǎn)T2熱失控發(fā)生時(shí)的溫度為所有測(cè)點(diǎn)中最低。當(dāng)熱失控發(fā)生后，非加熱大面的3個(gè)測(cè)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(cè)點(diǎn)的最高溫度為整個(gè)熱失控過(guò)程中電池表面溫度的最大值。
圖7 電池表面各測(cè)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(cè)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(lái)計(jì)算壓力容器內(nèi)的氣體量：
利用氣相色譜儀對(duì)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(guò)6%，而其他氣體體積占比相對(duì)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(lèi)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(cè)試儀對(duì)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(cè)，得到混合氣體的爆炸下限為6.9%，爆炸上限為35.5%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，理論方法得到的混合氣體爆炸極限與實(shí)測(cè)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^(guò)程如圖9所示。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后同時(shí)對(duì)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(kāi)開(kāi)始排出氣體，74 s后18#電池亦開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)始后66 min45 s，整個(gè)模組的產(chǎn)氣過(guò)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(kāi)始后約112 min出現(xiàn)了安全閥的開(kāi)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(guò)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(guò)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(xiàn)。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(xiàn)性上升趨勢(shì)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始37 min30 s電池開(kāi)閥排氣后，溫度曲線(xiàn)經(jīng)歷短暫的小幅振蕩，隨后呈線(xiàn)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(cè)點(diǎn)基本無(wú)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(cè)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(xiàn)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(xiàn)
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(duì)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(cè)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(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)大幅升高，最高溫度達(dá)1017.3 ℃。對(duì)于16#和21#電池表面測(cè)點(diǎn)T9和T15，18#、19#電池的熱失控對(duì)其影響不大，表面最大溫度未超過(guò)100 ℃，隨著17#、20#電池的熱失控，兩測(cè)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(duì)于15#電池，在隔熱板的影響下其表面T10測(cè)點(diǎn)溫度在16#電池發(fā)生熱失控前基本沒(méi)有顯著變化，16#電池?zé)崾Э睾笠騻鬟f來(lái)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(guò)程中測(cè)點(diǎn)溫度在150 ℃附近維持一段時(shí)間后下降，整個(gè)過(guò)程中電池未發(fā)生熱失控。對(duì)于22#電池，其表面測(cè)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(kāi)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(xiàn)
圖12和圖13分別給出了相鄰排電池側(cè)壁典型測(cè)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(xiàn)。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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(guò)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(guò)95 min。箱體右側(cè)面溫度亦相對(duì)較高，在熱失控過(guò)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(guò)程中基本未超過(guò)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(guò)程中的溫度未超過(guò)100 ℃。
圖12 相鄰排電池側(cè)壁溫度-時(shí)間曲線(xiàn)
圖13 模組箱體外表面不同位置溫度-時(shí)間曲線(xiàn)
3.3 熱量傳遞特征分析
電池模組內(nèi)熱失控傳播過(guò)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(guò)對(duì)流和輻射向周?chē)⑹У臒崃?；④熱失控產(chǎn)氣帶走的熱量。根據(jù)280 Ah電池在開(kāi)敞空間的熱失控傳播試驗(yàn)研究可知，電池通過(guò)對(duì)流和輻射向環(huán)境散失的熱量在總能量中占比很小，而對(duì)于本試驗(yàn)所使用的液冷模組，在熱失控傳播過(guò)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(duì)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(wú)法量化，故本節(jié)重點(diǎn)針對(duì)電池間以熱傳導(dǎo)形式傳遞的熱量來(lái)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(jiàn)式(4)、式(5)，通過(guò)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(jiàn)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(kāi)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(guò)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(duì)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(zhǎng)，傳遞的熱量較高，為197.8 kJ。對(duì)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(duì)較低，僅為72.6 kJ，小于開(kāi)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(duì)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(duì)目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用相對(duì)較多的大規(guī)模場(chǎng)站用預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)和工商業(yè)用儲(chǔ)能柜，開(kāi)展2種典型場(chǎng)景下的燃爆風(fēng)險(xiǎn)分析。
對(duì)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(zhǎng)×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?；跓釣E用試驗(yàn)測(cè)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(guò)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(guò)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?xún)?nèi)時(shí)，電池艙發(fā)生燃爆的風(fēng)險(xiǎn)便相對(duì)較低。
對(duì)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(kāi)閥產(chǎn)氣直至熱失控的過(guò)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(duì)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(cè)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(duì)于降低燃爆風(fēng)險(xiǎn)亦十分關(guān)鍵，而對(duì)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(cè)預(yù)警等手段來(lái)防止初始的電池單體熱失控發(fā)生。
5 結(jié) 論
本文對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(guò)程中最高達(dá)281.3 ℃，其他表面溫度均未超過(guò)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?xún)?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(duì)于工商業(yè)用儲(chǔ)能柜，模組內(nèi)的1塊電池發(fā)生開(kāi)閥產(chǎn)氣直至熱失控的過(guò)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(duì)于不同的儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)有針對(duì)性地進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。
