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摘 要 儲(chǔ)能電站中存在著垂直分布的電池排列結(jié)構(gòu)，下層電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣在引燃后，火焰會(huì)誘發(fā)上層電池發(fā)生火蔓延。為了探究?jī)?chǔ)能電池火蔓延特性及觸發(fā)過(guò)程的能量傳遞機(jī)制，本工作以100 Ah磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)3組雙層電池模組火蔓延實(shí)驗(yàn)(雙層電池?cái)?shù)量各為1節(jié)、2節(jié)和3節(jié))，加熱觸發(fā)底部電池開(kāi)閥后主動(dòng)引燃熱失控氣體，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電池溫度變化，分析電池溫升速率和溫升階梯，進(jìn)而定量研究在觸發(fā)頂部電池火蔓延的過(guò)程中，底部各節(jié)電池的累計(jì)傳遞能量，最后解耦不同路徑的傳熱量。研究結(jié)果表明：底部3節(jié)電池可以觸發(fā)頂部電池同時(shí)發(fā)生熱失控，頂部電池最大溫升比底部電池高115.9 ℃(22.1%)，最大溫升速率高6.5 ℃/s(86.7%)；頂部電池?zé)崾Э厍按嬖?段溫升階梯，在火焰射流階段的平均溫升速率約為火焰烘烤階段的2倍；在火蔓延觸發(fā)過(guò)程中，底部3節(jié)電池累計(jì)傳遞至頂部電池的能量分別為249.1 kJ、334.3 kJ和379.7 kJ，其中通過(guò)底面?zhèn)鳠嵴急?7.5%，通過(guò)側(cè)面?zhèn)鳠嵴急?2.5%。本研究為儲(chǔ)能電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)和火蔓延抑制提供重要指導(dǎo)意義和科學(xué)價(jià)值。
關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能電站；磷酸鐵鋰電池；熱失控；火蔓延
新能源行業(yè)迎來(lái)了新的發(fā)展高度，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)因其具有優(yōu)秀的調(diào)頻調(diào)峰能力，如今已呈現(xiàn)出規(guī)?；瘧?yīng)用的趨勢(shì)。磷酸鐵鋰電池因其循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能電站中。然而，隨著磷酸鐵鋰電池向著大容量、高功率的趨勢(shì)發(fā)展，熱失控問(wèn)題層出不窮，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)多起儲(chǔ)能電站安全事故，嚴(yán)重威脅公共財(cái)產(chǎn)安全。
國(guó)內(nèi)外有諸多學(xué)者針對(duì)磷酸鐵鋰電池單體熱失控特性進(jìn)行了系列研究。李涵等研究了120 Ah磷酸鐵鋰電池單體在不同測(cè)試氣氛下的產(chǎn)熱產(chǎn)氣特性，發(fā)現(xiàn)在兩種環(huán)境下的產(chǎn)氣均有較高的燃爆特性，但惰性氛圍與空氣氛圍相比，電池?zé)崾Э仄鹗紲囟忍岣?7.6%，熱失控持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)14%，產(chǎn)氣量增加8.2%。黃崢等針對(duì)儲(chǔ)能用86 Ah磷酸鐵鋰電池進(jìn)行熱失控實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該電池?zé)崾Э剡^(guò)程在110 ℃與225 ℃下存在2個(gè)溫升速率峰值，并且CO2和H2在熱失控氣體中占據(jù)主要地位，分別占比30.15%與39.5%。宋來(lái)豐等使用280 Ah磷酸鐵鋰電池進(jìn)行絕熱條件下的電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)，定量分析了電池自產(chǎn)熱階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，得到電池?zé)崾Э剡^(guò)程中釋放的總熱量為1511 kJ。Feng等針對(duì)磷酸鐵鋰刀片電池，實(shí)驗(yàn)研究了電池內(nèi)部熱擴(kuò)散機(jī)制，發(fā)現(xiàn)氣體擴(kuò)散通過(guò)傳熱和傳質(zhì)使電池內(nèi)部熱失控的傳播速度加快了36.84%。葉錦昊等通過(guò)側(cè)面加熱觸發(fā)100 Ah磷酸鐵鋰軟包電池?zé)崾Э?，發(fā)現(xiàn)100% SOC釋放的能量相當(dāng)于104.63 g TNT的能量，相比40% SOC的危險(xiǎn)性提升了64.3%。
在磷酸鐵鋰電池模組層面，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)其橫向熱蔓延特性進(jìn)行了系列研究。鄧康等發(fā)現(xiàn)18650磷酸鐵鋰電池組的放熱量與電池?cái)?shù)量在一定范圍內(nèi)滿足冪函數(shù)關(guān)系。王庭華等提出箱體環(huán)境中有限的氧氣供給會(huì)減緩電池在熱失控時(shí)的內(nèi)部放熱反應(yīng)進(jìn)程，86 Ah磷酸鐵鋰電池模組在箱體空間實(shí)驗(yàn)中電池?zé)崾Э胤逯禍囟容^開(kāi)放空間實(shí)驗(yàn)低33~145 ℃，熱失控完全傳播時(shí)間滯后213 s。Zhai等研究了大尺寸磷酸鐵鋰電池在不同傾斜角度頂板下的熱蔓延行為，發(fā)現(xiàn)較大的頂板角度會(huì)為熱蔓延提供較好的散熱條件，熱蔓延停止的頂板角度區(qū)間在10°~30°。Song等通過(guò)能量流計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在280 Ah磷酸鐵鋰電池模組中，75%以上的能量用于加熱電池自身，小于10%的能量能夠觸發(fā)相鄰電池?zé)崾Э?。陳曄等?80 Ah磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)未設(shè)隔熱板的6塊電池發(fā)生了順序熱蔓延，熱蔓延速度為0.162~0.233 mm/s。
由于儲(chǔ)能電站中的電池存在著垂直分布的排列結(jié)構(gòu)，底部電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣在引燃后，火焰會(huì)誘發(fā)上層電池發(fā)生火蔓延。目前有關(guān)電池在縱向的火蔓延的相關(guān)研究較少，F(xiàn)ang等實(shí)驗(yàn)研究了SOC和間距對(duì)2個(gè)18650電池之間垂直傳播的影響，發(fā)現(xiàn)80%和100% SOC電池觸發(fā)傳播的臨界間距分別為4 mm和6 mm，上層電池觸發(fā)傳播所需的最小能量為5 kJ。Wang等研究了23 Ah磷酸鐵鋰電池在水平和垂直方向上的傳播特性，闡明了火焰輻射換熱對(duì)熱失控傳播的影響機(jī)理，當(dāng)換熱達(dá)到56.6 kJ時(shí)，會(huì)觸發(fā)電池模組內(nèi)的火蔓延。Zhou等發(fā)現(xiàn)50 Ah磷酸鐵鋰電池單體燃燒產(chǎn)生的熱量會(huì)使上部電池的溫度升高30~40℃，隨著水平熱失控傳播的進(jìn)行，最終會(huì)觸發(fā)上部電池的火蔓延。Gao等研究了280 Ah雙層磷酸鐵鋰電池的火蔓延特性，發(fā)現(xiàn)上層電池火蔓延觸發(fā)能量邊界為1193.6 kJ。
目前針對(duì)儲(chǔ)能電池火蔓延特性的相關(guān)研究尚不充分，特別是缺少在火蔓延觸發(fā)前的過(guò)程中，針對(duì)上層電池能量累加過(guò)程的定量分析，火蔓延觸發(fā)過(guò)程的能量傳遞機(jī)制尚不明確。鑒于此，本工作針對(duì)雙層100 Ah磷酸鐵鋰電池模組，設(shè)計(jì)雙層電池?cái)?shù)量分別為1節(jié)、2節(jié)和3節(jié)的實(shí)驗(yàn)方案，探究?jī)?chǔ)能電池火蔓延特性，定量研究在觸發(fā)頂部電池火蔓延的過(guò)程中，底部各節(jié)電池的累計(jì)傳遞能量，并解耦不同路徑的傳熱量。研究揭示了火蔓延觸發(fā)過(guò)程的能量傳遞機(jī)制，為儲(chǔ)能電池火蔓延的抑制和系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見(jiàn)。
1 研究方法
1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象
本工作研究對(duì)象為某公司生產(chǎn)的儲(chǔ)能用磷酸鐵鋰電池，外觀如圖1所示，為方殼型電池，正負(fù)極極柱為螺栓結(jié)構(gòu)，安全閥為直徑8 mm的圓形。電池參數(shù)如表1所示，電池標(biāo)稱容量為100 Ah，質(zhì)量為(2245±5) g，電池尺寸為130 mm×36 mm×211.8 mm(長(zhǎng)×寬×高)，電池正極材料采用磷酸鐵鋰制成，負(fù)極材料采用石墨制成，電池標(biāo)稱電壓為3.2 V，截止電壓下限為2.5 V，截止電壓上限為3.65 V。本研究中使用的電池按照以下方法進(jìn)行充電：在室溫環(huán)境下，以1C(100 A)恒流放電至2.5 V，擱置1 h后，以0.5C(50A)恒流充電至3.65 V，隨后恒壓充電至0.05C(5 A)，最終達(dá)到100% SOC狀態(tài)。
圖1 電池外觀
表1 電池參數(shù)
1.2 實(shí)驗(yàn)方案
圖2(a)為本研究中的實(shí)驗(yàn)布置，圖2(b)為電池模組及排風(fēng)機(jī)實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)均在按照GB/T 25207—2010建造的燃燒室中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將電池模組放置于不銹鋼臺(tái)架上，并開(kāi)啟排風(fēng)機(jī)，以保證符合安全規(guī)范。將熱電偶及電壓線束連接到型號(hào)為HIOKI LR8450的數(shù)據(jù)采集儀，用于記錄電池電壓和溫度信息，并將采樣頻率設(shè)置為10 Hz，實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用攝像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中使用的熱電偶為K型熱電偶，電壓線與熱電偶均使用陶瓷纖維管包裹，以防止被火焰燒毀。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，使用800 W加熱片加熱底部首節(jié)電池，在電池發(fā)生開(kāi)閥排氣后，使用脈沖點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火操作。隨后觀察數(shù)據(jù)采集儀，當(dāng)電池背面溫度連續(xù)3次溫升速率大于5 ℃/s，且此時(shí)電壓降到1 V以下，判斷電池發(fā)生熱失控，此時(shí)手動(dòng)關(guān)閉加熱片。
圖2 (a) 實(shí)驗(yàn)布置；(b) 電池模組及排風(fēng)機(jī)實(shí)物圖
本工作共設(shè)計(jì)了3組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)1為上下各1節(jié)電池，實(shí)驗(yàn)2為上下各2節(jié)電池，實(shí)驗(yàn)3為上下各3節(jié)電池。在實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中，頂部電池未發(fā)生熱失控，本工作將其命名為未蔓延組；在實(shí)驗(yàn)3中，頂部電池發(fā)生熱失控，本工作將其命名為火蔓延組，如表2所示。各組實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方式如圖3所示。在每節(jié)電池的正面(Tif)、側(cè)面(Tis)、背面(Tib)和噴口處(Tiv)布置熱電偶，并在頂部電池的底面布置熱電偶(Tibo)，用于監(jiān)測(cè)火焰溫度。將加熱片放置于底部首節(jié)電池的正面，用云母板貼附于每組電池兩端以減少散熱，最外側(cè)用鋁合金夾具以2 N·m的預(yù)緊力夾緊。本工作為定量研究火蔓延過(guò)程的能量傳遞機(jī)制，模擬電池直接受火焰加熱的極端工況，未考慮模組殼體和熱管理系統(tǒng)。除此之外，標(biāo)準(zhǔn)NFPA 855規(guī)定儲(chǔ)能電站中電池模組的垂直安全距離在2.5 cm以上，本工作將兩模組上下間距設(shè)置為5 cm的嚴(yán)苛工況。
表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
2.1 未蔓延組
圖4(a)記錄了實(shí)驗(yàn)1的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到623 s時(shí)，1#電池開(kāi)閥，此刻立即使用電火花點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火操作，可燃?xì)怏w被引燃，火焰燃燒較緩和，形狀較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯噪聲，呈現(xiàn)烘烤狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到930 s時(shí)，1#電池發(fā)生熱失控，并于950 s加劇，此時(shí)火焰燃燒猛烈，呈現(xiàn)射流狀態(tài)，同時(shí)伴有巨大的轟鳴聲?；鹧媸艿?#電池底面的阻擋，從其大面及側(cè)面涌出。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1234 s時(shí)，1#電池?zé)崾Э亟Y(jié)束。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，2#電池始終未發(fā)生開(kāi)閥排氣和熱失控。
圖4 未蔓延組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
圖4(b)記錄了實(shí)驗(yàn)2的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在788~1348 s期間，底部1#電池和2#電池依次經(jīng)歷了開(kāi)閥排氣和熱失控，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)1類似。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1456 s時(shí)，頂部4#電池發(fā)生開(kāi)閥排氣，緊接著可燃?xì)怏w被下層火焰引燃。1657 s時(shí)，頂部3#電池發(fā)生開(kāi)閥排氣，將4#電池的火焰吹熄，后續(xù)頂部2節(jié)電池均未發(fā)生熱失控，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
2.2 火蔓延組
圖5記錄了實(shí)驗(yàn)3的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。加熱過(guò)程進(jìn)行到537 s時(shí)，1#電池發(fā)生開(kāi)閥排氣，立即點(diǎn)火后，火焰呈現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的烘烤狀態(tài)。770 s時(shí)1#電池發(fā)生熱失控，火焰呈現(xiàn)劇烈的射流狀態(tài)。888 s時(shí)2#電池發(fā)生了開(kāi)閥排氣，開(kāi)閥瞬間被火焰引燃，發(fā)生了爆燃現(xiàn)象，2#電池于1175 s發(fā)生熱失控。1286 s時(shí)6#電池發(fā)生了開(kāi)閥排氣，緊接著被下層火焰引燃，呈現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)。1298~1489 s期間，3#、4#、5#電池依次發(fā)生開(kāi)閥排氣，開(kāi)閥瞬間均出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，隨后火焰穩(wěn)定燃燒，爆燃時(shí)的火焰高度比穩(wěn)定燃燒時(shí)更高。1493 s時(shí)3#電池發(fā)生熱失控，在射流火的沖擊傳熱作用下，1598 s時(shí)4#、5#、6#電池同時(shí)發(fā)生熱失控，此時(shí)3個(gè)電池的射流火疊加，發(fā)出了巨大的轟鳴聲，并且由于射流速度過(guò)快，在頂部沒(méi)有遮擋物的情況下，出現(xiàn)間歇引燃的現(xiàn)象。1942 s時(shí)火焰熄滅，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。在實(shí)驗(yàn)3中，頂部電池開(kāi)閥發(fā)生于2#電池?zé)崾Э睾螅瑥?fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2的過(guò)程，證明了研究的合理性。
圖5 火蔓延組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1 未蔓延組
圖6(a)展示了實(shí)驗(yàn)1中各節(jié)電池的溫度變化情況。1#電池于623 s發(fā)生開(kāi)閥，此時(shí)正面(加熱面)溫度T1f為287 ℃，側(cè)面溫度T1s為128 ℃。當(dāng)加熱過(guò)程進(jìn)行到930 s時(shí)，1#電池發(fā)生熱失控，此時(shí)T1f為394.6 ℃，并于999 s達(dá)到峰值648.2 ℃。背面溫度T1b于1234 s達(dá)到峰值442.3 ℃，此時(shí)標(biāo)志著1#電池?zé)崾Э氐慕Y(jié)束，整個(gè)熱失控過(guò)程共持續(xù)304 s。圖6(a)中記錄了此階段2#電池平均溫度T2ave的變化特征，計(jì)算公式如式(1)，T2ave于1405 s達(dá)到峰值120.9 ℃。整個(gè)過(guò)程中，1#電池電壓在熱失控時(shí)從3.35 V驟降到1 V以下，2#電池的電壓始終未發(fā)生波動(dòng)，由于電池電壓的下降源于電池內(nèi)短路的發(fā)生，說(shuō)明2#電池未發(fā)生局部?jī)?nèi)短路。
圖6 未蔓延組溫度特征
圖6(b)展示了實(shí)驗(yàn)2中各節(jié)電池的溫度變化。1#電池于788 s發(fā)生開(kāi)閥，此時(shí)正面(加熱面)溫度T1f為337 ℃，當(dāng)加熱過(guò)程進(jìn)行到1023 s，1#電池發(fā)生熱失控，此時(shí)T1f為378.8 ℃，并于1110 s達(dá)到峰值622.5 ℃。1348s時(shí)2#電池發(fā)生熱失控，此時(shí)T2f為448.9 ℃，并于1384 s達(dá)到峰值598.3 ℃。T2b于1636 s達(dá)到峰值426.4 ℃，整個(gè)熱失控過(guò)程持續(xù)了613 s，1#與2#的熱蔓延時(shí)間間隔為325 s。圖6(b)中記錄了頂部3#電池和4#電池的平均溫度T3ave和T4ave，2條溫度曲線幾乎重合，說(shuō)明底部電池對(duì)頂部電池的加熱效應(yīng)是幾乎相同的，頂部2節(jié)電池的平均溫度于1609 s達(dá)到峰值162.6 ℃。整個(gè)過(guò)程中，1#電池與2#電池的電壓在熱失控時(shí)從3.35 V驟降到1 V以下，3#電池電壓一直沒(méi)有發(fā)生波動(dòng)，而4#電池的電壓在1948 s時(shí)發(fā)生下降，于3447 s降低至2.97 V后發(fā)生回升，這是由于電池受到加熱發(fā)生局部?jī)?nèi)短路，但后續(xù)失去了加熱源，并受到熱對(duì)流和熱輻射的散熱影響，局部?jī)?nèi)短路停止，沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)生熱失控。
式中，Ti ave為i #電池的平均溫度，℃；Ti f為i #電池的正面溫度，℃；Ti b為i #電池的背面溫度，℃。
3.2 火蔓延組
3.2.1 溫度變化
圖7為實(shí)驗(yàn)3中各節(jié)電池的溫度變化。圖7(a)中，1#電池于537 s發(fā)生開(kāi)閥，此時(shí)正面(加熱面)溫度T1f為338.9 ℃，側(cè)面溫度T1s為141.4 ℃；1#電池于770 s發(fā)生熱失控，此時(shí)T1f為397.2 ℃，并于868 s達(dá)到峰值溫度646.3 ℃。圖7(b)中，2#電池于888 s發(fā)生開(kāi)閥，此時(shí)正面溫度T2f為207.8 ℃，側(cè)面溫度T2s為96.6 ℃；2#電池于1175 s發(fā)生熱失控，此時(shí)T2f為349.8 ℃，并于1306 s達(dá)到峰值溫度519.5 ℃。圖7(c)中，3#電池于1298 s發(fā)生開(kāi)閥，此時(shí)正面溫度T3f為256.0 ℃，側(cè)面溫度T3s為109.9 ℃；3#電池于1493 s發(fā)生熱失控，此時(shí)T3f為405.2 ℃，并于1696 s達(dá)到峰值溫度524.3 ℃，背面溫度T3b于1880 s達(dá)到峰值溫度433.5 ℃。圖7(d)中，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1598 s時(shí)，4#、5#、6#電池幾乎同時(shí)發(fā)生熱失控，3節(jié)電池的平均溫度曲線也幾乎重合，平均溫度T4ave、T5ave、T6ave于1793 s達(dá)到峰值640.2 ℃。
圖7 火蔓延組溫度特征
綜上所述，底部電池非加熱面的峰值溫度為524.3 ℃，而頂部電池峰值溫度為640.2 ℃，高出底部電池115.9 ℃(22.1%)。這說(shuō)明在電池發(fā)生火蔓延的過(guò)程中，頂部電池?zé)崾Э鼐哂懈叩臏厣?，也具有更?yán)重的危險(xiǎn)性。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是上層電池不僅受到電池?zé)崾Э氐淖陨砑訜嶙饔?，還受到底部火焰的加熱作用。
3.2.2 溫升速率
圖8記錄了實(shí)驗(yàn)3中各電池的溫升速率變化。如圖8(a)所示，在底部電池中，1#電池于792 s達(dá)到峰值4.5 ℃/s，2#電池于1206 s達(dá)到峰值4.0 ℃/s，3#電池于1639 s達(dá)到峰值7.5 ℃/s。底部電池的最大溫升速率發(fā)生于各自的熱失控階段，只受到自身加熱效應(yīng)的影響。在頂部電池中，4#電池于1648 s達(dá)到峰值13.8 ℃/s；5#電池于1646 s達(dá)到峰值14.0 ℃/s；6#電池于1639 s達(dá)到峰值9.0 ℃/s。頂部電池除了受到自身熱失控加熱的作用，還受到來(lái)自底部電池火焰的加熱作用，6#電池溫升速率低于其余2節(jié)電池的原因可能是其位于電池模組邊緣處存在一定的散熱。綜上所述，頂部電池的最大溫升速率為14.0 ℃/s，底部電池為7.5 ℃/s，頂部電池比底部電池高6.5 ℃/s(86.7%)。這進(jìn)一步說(shuō)明頂部電池?zé)崾Э厮斐傻奈：Ω?，火蔓延發(fā)生時(shí)需要對(duì)上層電池加以防范。
圖8 (a) 底部電池溫升速率；(b) 頂部電池溫升速率
3.2.3 溫升階梯
在圖7(d)的底部電池溫度變化圖中可以發(fā)現(xiàn)，電池發(fā)生熱失控前存在3段階梯式溫升過(guò)程，由于4#、5#、6#電池的平均溫度曲線幾乎重合，取5#電池的溫升階梯進(jìn)行特征分析，如圖9所示。圖9中綠色區(qū)域標(biāo)注處為火焰烘烤階段，是由底部電池開(kāi)閥排氣過(guò)程引起的烘烤狀態(tài)火焰階段；紅色區(qū)域標(biāo)注處為火焰射流階段，是由底部電池劇烈熱失控引起的射流狀態(tài)火焰階段。
圖9 5#電池溫升階梯
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，1#電池開(kāi)閥后，頂部電池依次經(jīng)歷了底部3節(jié)電池的開(kāi)閥排氣和熱失控過(guò)程，因此經(jīng)歷了3個(gè)火焰烘烤階段和3個(gè)火焰射流階段。第一個(gè)火焰烘烤階段開(kāi)始于1#電池開(kāi)閥，共經(jīng)歷221 s，電池溫升為24.9 ℃，平均溫升速率為6.8 ℃/min；第一個(gè)火焰射流階段開(kāi)始于1#電池劇烈熱失控，共經(jīng)歷110 s，電池溫升為25.5 ℃，平均溫升速率為13.9 ℃/min；第二個(gè)火焰烘烤階段開(kāi)始于2#電池開(kāi)閥，共經(jīng)歷295 s，電池溫升為31.5 ℃，平均溫升速率為6.4 ℃/min；第二個(gè)火焰射流階段開(kāi)始于2#電池劇烈熱失控，共經(jīng)歷123 s，電池溫升為31.1 ℃，平均溫升速率為15.2 ℃/min；第三個(gè)火焰烘烤階段開(kāi)始于3#電池開(kāi)閥，共經(jīng)歷195 s，電池溫升為24.7 ℃，平均溫升速率為7.6 ℃/min；第三個(gè)火焰射流階段開(kāi)始于3#電池?zé)崾Э?，共?jīng)歷117 s，電池溫升為34.4 ℃，平均溫升速率為17.6 ℃/min。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1598 s時(shí)，頂部電池發(fā)生同步火蔓延。
綜上所述，頂部電池在火焰烘烤階段和火焰射流階段的溫升均在24.7~34.4 ℃，但火焰射流階段的溫升速率為13.9~17.6 ℃/min，火焰烘烤階段的溫升速率為6.4~7.6 ℃/min，頂部電池在火焰射流階段的溫升速率約為火焰烘烤階段的2倍。這說(shuō)明底部電池在劇烈熱失控階段對(duì)頂部電池的加熱效率更高，這是由于劇烈熱失控階段的火焰射流速度較快，產(chǎn)生的射流火對(duì)頂部電池底面具有更高的加熱效率。
4 火蔓延觸發(fā)過(guò)程能量傳遞機(jī)制
4.1 累計(jì)傳遞能量
實(shí)驗(yàn)3雖能復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)1的物理過(guò)程，但實(shí)驗(yàn)3中底部各節(jié)電池的開(kāi)閥排氣和熱失控過(guò)程在時(shí)間維度上存在重疊，底部各節(jié)電池單體為頂部電池累計(jì)傳遞的能量無(wú)法量化。在實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3中，頂部電池單體的溫升曲線幾乎重合，說(shuō)明頂部電池經(jīng)歷近似相同的加熱過(guò)程，電池間幾乎不存在傳熱效應(yīng)。因此底部電池火焰對(duì)頂部電池的傳熱效應(yīng)與頂部電池?cái)?shù)量無(wú)關(guān)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2的數(shù)據(jù)能夠解耦實(shí)驗(yàn)3的能量累加過(guò)程，以此可以定量研究觸發(fā)頂部電池火蔓延的過(guò)程中，底部各節(jié)電池的累計(jì)傳遞能量。
下文首先通過(guò)絕熱量熱數(shù)據(jù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。表3總結(jié)了該電池?zé)崾Э氐奶卣鳒囟?。其中自產(chǎn)熱溫度T1為116.6 ℃，熱失控起始溫度T2為179.7 ℃，開(kāi)閥排氣溫度Tv為158.4 ℃，電池絕熱量熱溫升曲線如圖10所示。由式(2)計(jì)算得出，觸發(fā)電池單體開(kāi)閥排氣所需能量為294.3 kJ，觸發(fā)電池單體熱失控所需能量為341.8 kJ。
式中，c為電池比熱容，取值為985.3 J/(kg·℃)；m為電池質(zhì)量，取值為2.24 kg；T為電池溫度，參數(shù)來(lái)源于絕熱量熱數(shù)據(jù)及上文3組實(shí)驗(yàn)頂部電池的平均溫升，單位為℃。
表3 特征溫度
圖10 電池絕熱量熱數(shù)據(jù)
經(jīng)式(2)計(jì)算，各組實(shí)驗(yàn)中頂部電池單體所積累的能量如圖11所示。底部1節(jié)電池對(duì)頂部電池單體傳遞的能量為249.1 kJ，其在絕熱量熱數(shù)據(jù)計(jì)算的開(kāi)閥能量界限以下，約占開(kāi)閥能量的84.6%；底部2節(jié)電池對(duì)頂部每節(jié)電池單體傳遞的能量為334.3 kJ，恰在絕熱量熱數(shù)據(jù)所計(jì)算的開(kāi)閥能量和熱失控觸發(fā)能量區(qū)間內(nèi)，約占熱失控觸發(fā)能量的97.6%。實(shí)驗(yàn)3中，頂部電池發(fā)生火蔓延，電池單體火蔓延觸發(fā)的能量邊界為379.7 kJ，與通過(guò)絕熱熱失控測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到的熱失控觸發(fā)能量(341.8 kJ)僅相差37.9 kJ，證明了研究的準(zhǔn)確性。
圖11 頂部電池單體能量積累情況
4.2 不同路徑傳熱
頂部電池的側(cè)面和底面直接受到火焰加熱，其火蔓延觸發(fā)能量由4部分組成，分別為來(lái)自底面的傳熱、來(lái)自側(cè)面的傳熱、自產(chǎn)熱、對(duì)流輻射散熱，如式(3)所示。由于在加熱過(guò)程中自產(chǎn)熱速率極小，且加熱持續(xù)時(shí)間較短，自產(chǎn)熱在這個(gè)過(guò)程中可以忽略不計(jì)。頂部電池在火焰的包裹下，通過(guò)對(duì)流輻射向環(huán)境的散熱也可忽略不計(jì)。
圖12為實(shí)驗(yàn)3中頂部4#、5#、6#電池的底面溫度，其呈現(xiàn)相似的溫度變化趨勢(shì)，因此可以近似認(rèn)為底部火焰對(duì)頂部電池的加熱是均勻的，頂部電池的底面積可以確定為加熱面積。但火焰對(duì)側(cè)面的加熱并不均勻，無(wú)法確認(rèn)側(cè)面的加熱面積。本工作以4#、5#、6#電池底面溫度的平均值近似代表頂部電池底面的平均溫度Tbo，如式(4)所示。通過(guò)底面的傳熱量由式(5)計(jì)算，結(jié)合式(3)可以解耦火蔓延觸發(fā)能量Qtrig，分別得到頂部電池通過(guò)底面和側(cè)面的傳熱量占比，進(jìn)一步為儲(chǔ)能系統(tǒng)的定向安全防護(hù)提供指導(dǎo)思路。
式中，Qtrig為頂部電池觸發(fā)能量，kJ；Qbo為頂部電池通過(guò)底面接收的熱量，kJ；Qside為頂部電池通過(guò)側(cè)面的傳熱量，kJ；Qself為電池自產(chǎn)熱，取值為0 kJ；Qdiss為散熱量，取值為0 kJ；Tbo為頂部電池底面的平均溫度，℃；T4bo、T5bo、T6bo分別為4#、5#、6#電池的底面溫度，℃；λ1為電池沿大面的導(dǎo)熱系數(shù)，取值為21.24 W/(m·℃)；Abo為電池底面面積，取值為0.0047 m2；σ1為電池底部與電池中心的距離，取值為0.106 m。
圖12 頂部電池底面溫度變化
頂部電池通過(guò)底面和側(cè)面的傳熱量占比如圖13所示。在觸發(fā)頂部電池火蔓延的能量中，通過(guò)底面的傳熱量為180.5 kJ，占總觸發(fā)能量的47.5%；通過(guò)側(cè)面的傳熱量為199.2 kJ，占總觸發(fā)能量的52.5%。由此可見(jiàn)，兩個(gè)路徑的傳熱量占比相近，二者均為重要的傳熱路徑。
圖13 不同路徑傳熱量
4.3 能量傳遞機(jī)制
圖14總結(jié)了本工作雙層儲(chǔ)能電池火蔓延發(fā)生的能量傳遞機(jī)制：在底部1#電池經(jīng)歷開(kāi)閥排氣和熱失控后，頂部3節(jié)電池內(nèi)部經(jīng)歷了第一個(gè)溫升階梯，此時(shí)頂部電池積累能量249.1 kJ，但這些能量不足以引起熱失控和開(kāi)閥；接著底部2#電池經(jīng)歷開(kāi)閥排氣和熱失控，頂部電池內(nèi)部經(jīng)歷第二個(gè)溫升階梯，內(nèi)部能量積累至334.3 kJ，這些能量能夠引起開(kāi)閥排氣，但距離觸發(fā)熱失控還需要45.4 kJ；然后底部3#電池經(jīng)歷開(kāi)閥排氣和熱失控，頂部3節(jié)電池內(nèi)部經(jīng)歷第三個(gè)溫升階梯，此時(shí)達(dá)到觸發(fā)熱失控所需要的能量邊界379.7 kJ，3節(jié)電池同時(shí)發(fā)生熱失控。在整個(gè)過(guò)程中，頂部電池通過(guò)兩個(gè)側(cè)面的傳熱占比52.5%，通過(guò)底面的傳熱占比47.5%。
圖14 能量傳遞機(jī)制
通過(guò)本研究可以發(fā)現(xiàn)，上層電池火蔓延的發(fā)生依賴于下層電池的橫向熱蔓延，因此為了避免火蔓延的發(fā)生及演變，應(yīng)當(dāng)在電池間布置適宜的隔熱材料，以控制下層電池的橫向熱蔓延；其次，本研究發(fā)現(xiàn)頂部電池積累的能量即使達(dá)到接近熱失控，在失去加熱源后也能自發(fā)地停止自產(chǎn)熱，且在火蔓延發(fā)生前有充足的時(shí)間(1061 s)進(jìn)行人為干預(yù)，因此應(yīng)當(dāng)利用這一段黃金時(shí)間，及時(shí)進(jìn)行消防滅火工作；最后，在電池模組設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡量避免電池底面和側(cè)面直接暴露于環(huán)境中，火蔓延發(fā)生時(shí)二者都為重要的傳熱路徑，因此可以在電池底部及側(cè)面布置隔熱材料。
5 結(jié)論
本工作通過(guò)開(kāi)展雙層磷酸鐵鋰電池模組火蔓延實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)雙層電池?cái)?shù)量分別為1節(jié)、2節(jié)和3節(jié)的實(shí)驗(yàn)方案，研究了100 Ah磷酸鐵鋰電池火蔓延特性及觸發(fā)過(guò)程的能量傳遞機(jī)制。以下為本工作主要研究結(jié)論：
（1）底部1節(jié)電池?zé)崾Э刂荒芤痦敳侩姵貑误w溫升120.9 ℃，不能誘發(fā)其開(kāi)閥和熱失控；底部2節(jié)電池能引起頂部電池單體溫升162.6 ℃，能夠誘發(fā)其開(kāi)閥，但不能觸發(fā)熱失控；底部增加到3節(jié)電池能夠觸發(fā)頂部3節(jié)電池同時(shí)發(fā)生熱失控。
（2）在火蔓延發(fā)生后，頂部電池峰值溫度為640.2 ℃，比底部電池高115.9 ℃(22.1%)；最大溫升速率為14.0 ℃/s，比底部電池高6.5 ℃/s(86.7%)，頂部電池具有更高的危險(xiǎn)性。
（3）在火蔓延觸發(fā)過(guò)程中，底部電池依次發(fā)生開(kāi)閥排氣和熱失控，頂部3節(jié)電池經(jīng)歷近似相同的加熱過(guò)程，內(nèi)部存在3段溫升階梯，在火焰射流階段的溫升速率為13.9~17.6 ℃/min，火焰烘烤階段的溫升速率為6.4~7.6 ℃/min。頂部電池在火焰射流階段的溫升速率約為火焰烘烤階段的2倍。
（4）在火蔓延觸發(fā)過(guò)程中，底部3節(jié)電池累計(jì)傳遞至頂部電池單體的能量分別為249.1 kJ、334.3 kJ和379.7 kJ。在這些能量中，通過(guò)底面?zhèn)鳠嵴急?7.5%，通過(guò)側(cè)面?zhèn)鳠嵴急?2.5%。
