摘 要 通過已有ARC測試的電池單體熱失控溫度曲線計(jì)算得到電芯的生熱功率，再將該熱功率定義為混合動力機(jī)車動力電池系統(tǒng)內(nèi)指定熱失控單體的熱功率，仿真計(jì)算其周圍單體的瞬態(tài)溫度。計(jì)算表明：空調(diào)風(fēng)冷時(shí)單顆電芯熱失控不會引發(fā)熱失控?cái)U(kuò)展；沒有空調(diào)風(fēng)冷時(shí)某一顆電芯熱失控會在模組內(nèi)擴(kuò)展，一并電芯同時(shí)熱失控將導(dǎo)致上層電池包熱失控。最后對熱失控?cái)U(kuò)展阻斷設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：混合動力機(jī)車；鋰離子動力電池系統(tǒng)；熱功率；熱失控?cái)U(kuò)展
大功率混合動力機(jī)車成熟產(chǎn)品及應(yīng)用較少，缺乏安全事故方面數(shù)據(jù)，但是動力汽車行業(yè)已有大量安全事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。近年來汽車動力電池事故均是由于電池組中的某一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致周圍電池單體受熱引發(fā)熱失控?cái)U(kuò)展。熱失控不僅是發(fā)生安全性問題的本質(zhì)原因，也成為了制約鋰離子電池性能表現(xiàn)的短板之一。
鋰離子動力電池系統(tǒng)熱失控安全性事故發(fā)生有兩種情況，一種是電池系統(tǒng)長期老化帶來的可靠性降低；另一種是突發(fā)事件造成電池系統(tǒng)損壞。不斷發(fā)展的冷卻技術(shù)和BMS技術(shù)保證了在正常情況下監(jiān)測電池的安全狀態(tài)，并進(jìn)行主動保護(hù)。但隨著該技術(shù)的復(fù)雜化、設(shè)備老化，系統(tǒng)的可靠性逐漸降低，以及不可預(yù)判的突發(fā)事件，該類技術(shù)不能完全保證電池系統(tǒng)的安全。需要在動力電池系統(tǒng)中應(yīng)用熱失控?cái)U(kuò)展阻斷技術(shù)，當(dāng)所有安全防護(hù)技術(shù)失效且出現(xiàn)局部單體熱失控后防止引發(fā)其他單體熱失控，從而降低危害和損失。
造成鋰離子動力電池?zé)崾Э厥鹿实挠|發(fā)形式很多，其他觸發(fā)形式的機(jī)理分析都離不開對于熱觸發(fā)機(jī)理的研究。因此，文中通過指定電池系統(tǒng)內(nèi)單體熱失控，仿真計(jì)算電池系統(tǒng)溫度特性，探究模組內(nèi)部、電池包間熱失控傳播特性。
1 單體電池?zé)崾Э靥匦?/strong>
大量實(shí)驗(yàn)研究表明，電池?zé)崾Э剡^程有三個(gè)共性的特征溫度：電池自產(chǎn)熱起始溫度(T1)；熱失控觸發(fā)溫度(T2)，溫度達(dá)到T2后開始發(fā)生熱失控，溫度驟升無法控制；熱失控后電池達(dá)到的最高溫度(T3)。
對于磷酸鐵鋰電池T1為80～160 ℃，T2為150～250 ℃，單體絕熱環(huán)境熱失控以后的最高溫度大都不超過500 ℃，圖1為某磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э販囟惹€[8]。
圖1 某磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э谹RC測試溫度曲線
在電池質(zhì)量m、比熱容cp已知的情況下，可根據(jù)電池?zé)崾Э販囟惹€(T-t曲線)計(jì)算得到電池?zé)崾Э剡^程生熱功率q，見式(1)。
絕熱測試中，當(dāng)電池溫度達(dá)到最高值以后不再生熱，溫度降低，計(jì)算熱失控生熱功率時(shí)只需考慮從自產(chǎn)熱到溫度最高這個(gè)過程。因此通過MATLAB編程提取了圖1中100% SOC電池?zé)崾Э販囟冗_(dá)到最高值前的數(shù)據(jù)。再將提取的離散點(diǎn)通過高斯函數(shù)擬合，擬合函數(shù)見式(2)，函數(shù)曲線見圖2。
圖2 擬合曲線與提取離散點(diǎn)
如圖2所示，擬合的函數(shù)曲線與提取值吻合較好。對擬合的溫度函數(shù)式(2)求導(dǎo)得到式(3)
根據(jù)電芯的比熱容、質(zhì)量及式(1)計(jì)算得到生熱功率如圖3所示。
圖3 單體熱失控生熱功率
2 模組內(nèi)電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)展研究
此次研究的大功率圓柱形鋰離子動力電池系統(tǒng)采用空調(diào)風(fēng)冷，動力電池工作時(shí)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行將電池室內(nèi)冷卻循環(huán)空氣中的熱量帶走，保證電池在合理溫度范圍；動力電池停止工作時(shí)空調(diào)機(jī)組停止運(yùn)行。
2.1 計(jì)算模型
單個(gè)模組為60(6×10)并10串，因模組內(nèi)任意電芯熱失控后，受影響最大的為其周圍電芯，因此文中選取18(6×3)并3串進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算模型及電芯標(biāo)記如圖4所示，圖中箭頭為冷卻風(fēng)流向。
圖4 模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)展計(jì)算模型
仿真計(jì)算中設(shè)定電芯2-9、2-10發(fā)生熱失控，分析其他電芯的溫度變化，因計(jì)算域?yàn)閷ΨQ結(jié)構(gòu)，建立四分之一模型進(jìn)行計(jì)算。
在工況1(電池按額定功率持續(xù)運(yùn)行)、工況2(電池系統(tǒng)停止工作，空調(diào)機(jī)組停運(yùn))這兩種工況時(shí)熱失控后對其余電芯影響最大。使用Fluent軟件及其DO輻射傳熱模型進(jìn)行仿真計(jì)算，電芯表面與空氣進(jìn)行共軛傳熱(couple邊界)，熱失控電芯生熱速率通過自定義函數(shù)(UDF)定義，其余相關(guān)設(shè)置見表1。
表1 仿真計(jì)算相關(guān)設(shè)置
2.2 工況1熱失控?cái)U(kuò)展特性研究
圖5為電芯2-9開始自生熱1186.5 s后模組中第2并電池中間截面空氣溫度分布及速度矢量圖。模組中并聯(lián)電芯間距為7 mm、2 mm間隔排列，2 mm間隙中布置有拉桿。冷卻風(fēng)主要從7 mm縫隙中流過，2 mm縫隙處幾乎無冷卻風(fēng)。在高溫電芯(2-9、2-10)表面極薄的一層空氣溫度有明顯變化，遠(yuǎn)離電芯表面空氣溫度幾乎無影響。
圖8 t=2504.4電芯截面溫度云圖及速度矢量
圖9 各單體溫度曲線
由于單體2-9溫度升高，造成2-9周圍空氣溫度升高、密度降低、產(chǎn)生向上的浮升力，空氣向上對流，如圖8所示。向上對流的空氣對與2-9并聯(lián)的電芯2-3加熱，以及熱輻射的影響，電芯2-3溫度升高，并出現(xiàn)熱失控。電芯2-3熱失控后，與2-3串聯(lián)的1-3溫度升高然后熱失控。與2-9串聯(lián)的1-9之所以較1-3后出現(xiàn)熱失控，是因?yàn)樘幱谙路降碾娦臼芸諝鈱α骼鋮s的效果好于上方電芯，上方電芯周圍空氣溫度明顯高于下方電芯。
工況2的仿真分析表明，某一顆電芯熱失控將會導(dǎo)致與其串聯(lián)和間距為2 mm的并聯(lián)電芯出現(xiàn)熱失控。因7 mm間隙中間空氣對流冷卻效果較好，且仿真模型中電芯的數(shù)量較少，以上仿真過程中未發(fā)現(xiàn)7 mm間隙的電芯出現(xiàn)熱失控，但不能排除相距7 mm的電芯出現(xiàn)熱失控的可能性，主要原因如下：
（1）工況2的仿真可看出，隨著熱失控電芯數(shù)量的增加，空氣對流冷卻的效果變?nèi)?，熱失控單體的最高溫度逐漸增加，且發(fā)生熱失控單體的間隔時(shí)間逐漸變短；
（2）雖然相距7 mm間隙的電芯溫度并未達(dá)到自生熱溫度，但其溫度值仍在緩慢增加；當(dāng)相距2 mm的并聯(lián)電芯及與其串聯(lián)的電芯熱失控達(dá)到一定數(shù)量，相距7 mm間的電芯溫度可能達(dá)到自生熱溫度；
因此，下一節(jié)將分析多個(gè)電芯熱失控后對與其間距為7 mm的并聯(lián)芯及上層電池包的影響。
3 多個(gè)電池單體熱失控?cái)U(kuò)展研究
3.1 計(jì)算物理模型
前面分析發(fā)現(xiàn)某一單體熱失控后將會引發(fā)與其串聯(lián)的電芯及與其間隔2 mm的并聯(lián)電芯發(fā)生熱失控。且現(xiàn)實(shí)中由于機(jī)械碰撞或外部短路，可能多顆電芯同時(shí)熱失控，若有相距7 mm的并聯(lián)電芯同時(shí)熱失控，則必然導(dǎo)致整個(gè)模組的熱失控。為了探究多個(gè)單體電芯熱失控在模組內(nèi)的擴(kuò)展特性，建立了如圖10所示模型，假設(shè)模組內(nèi)某一列電芯同時(shí)熱失控(編號為0)，仿真分析與其間隔7 mm的并聯(lián)電芯是否發(fā)生熱失控，同時(shí)分析上一層電池包內(nèi)電芯是否發(fā)生熱失控。
圖10 電池包間熱失控?cái)U(kuò)展計(jì)算模型
初始條件設(shè)定圖10中編號為0的10個(gè)單體電芯溫度為80 ℃，并施加圖3所示的生熱功率。其余電芯初始溫度設(shè)定為40 ℃，無生熱功率，周圍空氣溫度為40 ℃，其余相關(guān)設(shè)置參見表1工況2。
3.2 熱失控?cái)U(kuò)展特性
編號為0的10個(gè)電芯熱失控1582 s后其余電芯溫度見圖11，圖中1～10對應(yīng)第1列編號為1-1～1-10的10個(gè)電芯，11～20對應(yīng)第2列編號為2-1～2-10的10個(gè)電芯，21～26對應(yīng)上一層電池包編號為3-1～3-6的6個(gè)電芯。圖12為中間截面的溫度云圖及速度矢量圖。
圖11 t=1582 s各電芯溫度
圖12 t=1582 s電池中間截面溫度云圖及速度矢量
從圖11可知，第1列的10個(gè)電芯中除了最下方的2個(gè)電芯，其余電芯溫度均達(dá)到了自生熱溫度(80 ℃)。因冷卻空氣從下往上對流過程中溫度不斷升高，1-1～1-8的溫度逐漸增大；因兩個(gè)電池包間有較大的間隙，空氣擾動增強(qiáng)了1-9、1-10的冷卻效果(圖12)，其溫度略低于1-8。第2列的10個(gè)電芯(2-1～2-10)，溫度較均勻，溫升約為10 ℃。上層電池包的電芯3-1直接受下層電池包高溫空氣對流加熱及熱失控電芯輻射傳熱的影響，其溫度已超過自生熱溫度。因此，下層電池包熱失控以后將會導(dǎo)致上層電池包的熱失控。
4 熱失控?cái)U(kuò)展阻斷設(shè)計(jì)方法初探
從電池模組、電池包、電池系統(tǒng)的角度出發(fā)，查閱到抑制熱失控?cái)U(kuò)展的方法有：保證安全的電池間距、設(shè)置隔熱層、電芯閥噴導(dǎo)流技術(shù)、降低熱失控時(shí)內(nèi)短路釋放的總電能、熱管理系統(tǒng)加強(qiáng)散熱、應(yīng)急冷卻噴淋技術(shù)、防爆泄壓裝置等。大功率混合動力機(jī)車動力電池系統(tǒng)電池單體數(shù)量巨大(達(dá)103200個(gè)單體)，雖然外形達(dá)到2 m×4 m×2 m，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)依然緊湊，上述方法有些難以工程應(yīng)用。
電芯閥噴導(dǎo)流技術(shù)是將電池?zé)崾Э睾箝y噴的火焰、高溫可燃?xì)怏w及顆粒導(dǎo)出到模組或電池包外部，由于混合動力機(jī)車電池系統(tǒng)體積、電芯數(shù)量龐大，該技術(shù)的應(yīng)用有待研究。研究表明，SOC越低的電池，熱失控放熱量越低，引發(fā)失控?cái)U(kuò)展的概率也越低。但是，對于大功率混合動力電池系統(tǒng)，難以精確地控制短路電芯在短時(shí)間內(nèi)放電到安全SOC范圍。
研究表明，對于圓柱形電池，電池間距較大時(shí)風(fēng)冷系統(tǒng)能夠抑制熱失控的擴(kuò)展。前文仿真計(jì)算也發(fā)現(xiàn)，在空調(diào)機(jī)組強(qiáng)迫風(fēng)冷情況下，當(dāng)模組內(nèi)某一顆電芯熱失控后不會引發(fā)擴(kuò)展。文中研究的大功率混合動力機(jī)車電池系統(tǒng)可在檢測到有少量電芯熱失控后控制空調(diào)機(jī)組以最大制冷量對電芯進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。考慮到管理系統(tǒng)可能無法及時(shí)識別電芯熱失控，而將每顆電芯間都設(shè)置隔熱層必然不可實(shí)現(xiàn)，因此在模組和電池包的層面布置隔熱層，減少受影響的電芯數(shù)量。同時(shí)在上下電池包間布置應(yīng)急冷卻噴淋裝置，防止下層電池包熱失控以后引發(fā)上層電池包熱失控。若前面措施無法避免大規(guī)模熱失控，通過在電池系統(tǒng)布置防爆泄壓閥及將電池系統(tǒng)布置在遠(yuǎn)離司機(jī)室區(qū)域來保障乘務(wù)人員安全。
5 結(jié)論
（1）空調(diào)風(fēng)冷時(shí)，模組內(nèi)單顆電芯熱失控不會引發(fā)其他電芯熱失控。
（2）空調(diào)停運(yùn)時(shí)，模組內(nèi)某一單體熱失控以后會引發(fā)與其串聯(lián)的電芯及與其間距為2 mm的并聯(lián)電芯熱失控。
（3）模組內(nèi)一列并聯(lián)電芯同時(shí)熱失控以后會導(dǎo)致與其間距為7 mm的并聯(lián)電芯熱失控，以及引發(fā)上層電池包的熱失控。
（4）通過在模組間布置隔熱層、電池包間布置應(yīng)急冷卻裝置、當(dāng)檢測到某一單體熱失控加強(qiáng)空調(diào)冷卻，可抑制大功率混合動力機(jī)車電池?zé)崾Э睾蟠笠?guī)模擴(kuò)展。同時(shí)將將電池室布置于遠(yuǎn)離司機(jī)室，電池系統(tǒng)安裝防爆泄壓裝置，以防前面措施失效并大規(guī)模熱失控后保障乘務(wù)人員安全。
引用本文： 張志鴻,牟俊彥,孟玉發(fā).風(fēng)冷圓柱形鋰離子電池系統(tǒng)熱失控?cái)U(kuò)展特性[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(02):658-663.
ZHANG Zhihong,MOU Junyan,MENG Yufa.Thermal runaway propagation characteristics of an air-cooled cylindrical lithium-ion battery system[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(02):658-663.
作者簡介：張志鴻（1989—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)閯恿﹄姵丶杉夹g(shù)，E-mail：15883233641@163.com。
