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摘 要 儲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，火焰會誘發(fā)上層電池發(fā)生火蔓延。為了探究儲能電池火蔓延特性及觸發(fā)過程的能量傳遞機制，本工作以100 Ah磷酸鐵鋰電池為研究對象，通過設(shè)計3組雙層電池模組火蔓延實驗(雙層電池數(shù)量各為1節(jié)、2節(jié)和3節(jié))，加熱觸發(fā)底部電池開閥后主動引燃熱失控氣體，記錄實驗現(xiàn)象和電池溫度變化，分析電池溫升速率和溫升階梯，進而定量研究在觸發(fā)頂部電池火蔓延的過程中，底部各節(jié)電池的累計傳遞能量，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)過程中，底部3節(jié)電池累計傳遞至頂部電池的能量分別為249.1 kJ、334.3 kJ和379.7 kJ，其中通過底面?zhèn)鳠嵴急?7.5%，通過側(cè)面?zhèn)鳠嵴急?2.5%。本研究為儲能電池系統(tǒng)安全設(shè)計和火蔓延抑制提供重要指導(dǎo)意義和科學(xué)價值。
關(guān)鍵詞 儲能電站；磷酸鐵鋰電池；熱失控；火蔓延
新能源行業(yè)迎來了新的發(fā)展高度，電化學(xué)儲能系統(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。磷酸鐵鋰電池因其循環(huán)壽命長、能量密度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于儲能電站中。然而，隨著磷酸鐵鋰電池向著大容量、高功率的趨勢發(fā)展，熱失控問題層出不窮，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)多起儲能電站安全事故，嚴(yán)重威脅公共財產(chǎn)安全。
國內(nèi)外有諸多學(xué)者針對磷酸鐵鋰電池單體熱失控特性進行了系列研究。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)時間延長14%，產(chǎn)氣量增加8.2%。黃崢等針對儲能用86 Ah磷酸鐵鋰電池進行熱失控實驗，發(fā)現(xiàn)該電池?zé)崾Э剡^程在110 ℃與225 ℃下存在2個溫升速率峰值，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%。宋來豐等使用280 Ah磷酸鐵鋰電池進行絕熱條件下的電池?zé)崾Э貙嶒?，定量分析了電池自產(chǎn)熱階段的動力學(xué)參數(shù)，得到電池?zé)崾Э剡^程中釋放的總熱量為1511 kJ。Feng等針對磷酸鐵鋰刀片電池，實驗研究了電池內(nèi)部熱擴散機制，發(fā)現(xiàn)氣體擴散通過傳熱和傳質(zhì)使電池內(nèi)部熱失控的傳播速度加快了36.84%。葉錦昊等通過側(cè)面加熱觸發(fā)100 Ah磷酸鐵鋰軟包電池?zé)崾Э兀l(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的危險性提升了64.3%。
在磷酸鐵鋰電池模組層面，國內(nèi)外研究者對其橫向熱蔓延特性進行了系列研究。鄧康等發(fā)現(xiàn)18650磷酸鐵鋰電池組的放熱量與電池數(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減緩電池在熱失控時的內(nèi)部放熱反應(yīng)進程，86 Ah磷酸鐵鋰電池模組在箱體空間實驗中電池?zé)崾Э胤逯禍囟容^開放空間實驗低33~145 ℃，熱失控完全傳播時間滯后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等通過能量流計算，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等實驗研究了SOC和間距對2個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熱失控傳播的影響機理，當(dāng)換熱達到56.6 kJ時，會觸發(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)生的熱量會使上部電池的溫度升高30~40℃，隨著水平熱失控傳播的進行，最終會觸發(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。
目前針對儲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)前的過程中，針對上層電池能量累加過程的定量分析，火蔓延觸發(fā)過程的能量傳遞機制尚不明確。鑒于此，本工作針對雙層100 Ah磷酸鐵鋰電池模組，設(shè)計雙層電池數(shù)量分別為1節(jié)、2節(jié)和3節(jié)的實驗方案，探究儲能電池火蔓延特性，定量研究在觸發(fā)頂部電池火蔓延的過程中，底部各節(jié)電池的累計傳遞能量，并解耦不同路徑的傳熱量。研究揭示了火蔓延觸發(fā)過程的能量傳遞機制，為儲能電池火蔓延的抑制和系統(tǒng)安全設(shè)計提供指導(dǎo)意見。
1 研究方法
1.1 實驗對象
本工作研究對象為某公司生產(chǎn)的儲能用磷酸鐵鋰電池，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×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)，最終達到100% SOC狀態(tài)。
圖1 電池外觀
表1 電池參數(shù)
1.2 實驗方案
圖2(a)為本研究中的實驗布置，圖2(b)為電池模組及排風(fēng)機實物圖。實驗均在按照GB/T 25207—2010建造的燃燒室中進行。實驗開始前，將電池模組放置于不銹鋼臺架上，并開啟排風(fēng)機，以保證符合安全規(guī)范。將熱電偶及電壓線束連接到型號為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，實驗過程使用攝像機記錄實驗現(xiàn)象。實驗中使用的熱電偶為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。在實驗開始后，使用800 W加熱片加熱底部首節(jié)電池，在電池發(fā)生開閥排氣后，使用脈沖點火器進行點火操作。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，且此時電壓降到1 V以下，判斷電池發(fā)生熱失控，此時手動關(guān)閉加熱片。
圖2 (a) 實驗布置；(b) 電池模組及排風(fēng)機實物圖
本工作共設(shè)計了3組實驗，實驗1為上下各1節(jié)電池，實驗2為上下各2節(jié)電池，實驗3為上下各3節(jié)電池。在實驗1和實驗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；在實驗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。各組實驗的監(jiān)測點布置方式如圖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程的能量傳遞機制，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 實驗設(shè)計
圖3 監(jiān)測點布置
2 實驗現(xiàn)象
2.1 未蔓延組
圖4(a)記錄了實驗1的實驗現(xiàn)象。實驗進行到623 s時，1#電池開閥，此刻立即使用電火花點火器進行點火操作，可燃?xì)怏w被引燃，火焰燃燒較緩和，形狀較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯噪聲，呈現(xiàn)烘烤狀態(tài)。實驗進行到930 s時，1#電池發(fā)生熱失控，并于950 s加劇，此時火焰燃燒猛烈，呈現(xiàn)射流狀態(tài)，同時伴有巨大的轟鳴聲?；鹧媸艿?#電池底面的阻擋，從其大面及側(cè)面涌出。實驗進行到1234 s時，1#電池?zé)崾Э亟Y(jié)束。在整個實驗過程中，2#電池始終未發(fā)生開閥排氣和熱失控。
圖4 未蔓延組實驗現(xiàn)象
圖4(b)記錄了實驗2的實驗現(xiàn)象。在788~1348 s期間，底部1#電池和2#電池依次經(jīng)歷了開閥排氣和熱失控，實驗現(xiàn)象與實驗1類似。實驗進行到1456 s時，頂部4#電池發(fā)生開閥排氣，緊接著可燃?xì)怏w被下層火焰引燃。1657 s時，頂部3#電池發(fā)生開閥排氣，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，實驗結(jié)束。
2.2 火蔓延組
圖5記錄了實驗3的實驗現(xiàn)象。加熱過程進行到537 s時，1#電池發(fā)生開閥排氣，立即點火后，火焰呈現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的烘烤狀態(tài)。770 s時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2#電池發(fā)生了開閥排氣，開閥瞬間被火焰引燃，發(fā)生了爆燃現(xiàn)象，2#電池于1175 s發(fā)生熱失控。1286 s時6#電池發(fā)生了開閥排氣，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)生開閥排氣，開閥瞬間均出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，隨后火焰穩(wěn)定燃燒，爆燃時的火焰高度比穩(wěn)定燃燒時更高。1493 s時3#電池發(fā)生熱失控，在射流火的沖擊傳熱作用下，1598 s時4#、5#、6#電池同時發(fā)生熱失控，此時3個電池的射流火疊加，發(fā)出了巨大的轟鳴聲，并且由于射流速度過快，在頂部沒有遮擋物的情況下，出現(xiàn)間歇引燃的現(xiàn)象。1942 s時火焰熄滅，實驗結(jié)束。在實驗3中，頂部電池開閥發(fā)生于2#電池?zé)崾Э睾?，?fù)現(xiàn)了實驗1與實驗2的過程，證明了研究的合理性。
圖5 火蔓延組實驗現(xiàn)象
3 實驗結(jié)果
3.1 未蔓延組
圖6(a)展示了實驗1中各節(jié)電池的溫度變化情況。1#電池于623 s發(fā)生開閥，此時正面(加熱面)溫度T1f為287 ℃，側(cè)面溫度T1s為128 ℃。當(dāng)加熱過程進行到930 s時，1#電池發(fā)生熱失控，此時T1f為394.6 ℃，并于999 s達到峰值648.2 ℃。背面溫度T1b于1234 s達到峰值442.3 ℃，此時標(biāo)志著1#電池?zé)崾Э氐慕Y(jié)束，整個熱失控過程共持續(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，計算公式如式(1)，T2ave于1405 s達到峰值120.9 ℃。整個過程中，1#電池電壓在熱失控時從3.35 V驟降到1 V以下，2#電池的電壓始終未發(fā)生波動，由于電池電壓的下降源于電池內(nèi)短路的發(fā)生，說明2#電池未發(fā)生局部內(nèi)短路。
圖6 未蔓延組溫度特征
圖6(b)展示了實驗2中各節(jié)電池的溫度變化。1#電池于788 s發(fā)生開閥，此時正面(加熱面)溫度T1f為337 ℃，當(dāng)加熱過程進行到1023 s，1#電池發(fā)生熱失控，此時T1f為378.8 ℃，并于1110 s達到峰值622.5 ℃。1348s時2#電池發(fā)生熱失控，此時T2f為448.9 ℃，并于1384 s達到峰值598.3 ℃。T2b于1636 s達到峰值426.4 ℃，整個熱失控過程持續(xù)了613 s，1#與2#的熱蔓延時間間隔為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，說明底部電池對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達到峰值162.6 ℃。整個過程中，1#電池與2#電池的電壓在熱失控時從3.35 V驟降到1 V以下，3#電池電壓一直沒有發(fā)生波動，而4#電池的電壓在1948 s時發(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)生局部內(nèi)短路，但后續(xù)失去了加熱源，并受到熱對流和熱輻射的散熱影響，局部內(nèi)短路停止，沒有進一步發(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為實驗3中各節(jié)電池的溫度變化。圖7(a)中，1#電池于537 s發(fā)生開閥，此時正面(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T1f為397.2 ℃，并于868 s達到峰值溫度646.3 ℃。圖7(b)中，2#電池于888 s發(fā)生開閥，此時正面溫度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T2f為349.8 ℃，并于1306 s達到峰值溫度519.5 ℃。圖7(c)中，3#電池于1298 s發(fā)生開閥，此時正面溫度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T3f為405.2 ℃，并于1696 s達到峰值溫度524.3 ℃，背面溫度T3b于1880 s達到峰值溫度433.5 ℃。圖7(d)中，實驗進行到1598 s時，4#、5#、6#電池幾乎同時發(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%)。這說明在電池發(fā)生火蔓延的過程中，頂部電池?zé)崾Э鼐哂懈叩臏厣?，也具有更?yán)重的危險性。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氐淖陨砑訜嶙饔茫€受到底部火焰的加熱作用。
3.2.2 溫升速率
圖8記錄了實驗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達到峰值4.5 ℃/s，2#電池于1206 s達到峰值4.0 ℃/s，3#電池于1639 s達到峰值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達到峰值13.8 ℃/s；5#電池于1646 s達到峰值14.0 ℃/s；6#電池于1639 s達到峰值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%)。這進一步說明頂部電池?zé)崾Э厮斐傻奈：Ω螅鹇影l(fā)生時需要對上層電池加以防范。
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，是由底部電池開閥排氣過程引起的烘烤狀態(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
在實驗過程中，1#電池開閥后，頂部電池依次經(jīng)歷了底部3節(jié)電池的開閥排氣和熱失控過程，因此經(jīng)歷了3個火焰烘烤階段和3個火焰射流階段。第一個火焰烘烤階段開始于1#電池開閥，共經(jīng)歷221 s，電池溫升為24.9 ℃，平均溫升速率為6.8 ℃/min；第一個火焰射流階段開始于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；第二個火焰烘烤階段開始于2#電池開閥，共經(jīng)歷295 s，電池溫升為31.5 ℃，平均溫升速率為6.4 ℃/min；第二個火焰射流階段開始于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；第三個火焰烘烤階段開始于3#電池開閥，共經(jīng)歷195 s，電池溫升為24.7 ℃，平均溫升速率為7.6 ℃/min；第三個火焰射流階段開始于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。實驗進行到1598 s時，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。這說明底部電池在劇烈熱失控階段對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)生的射流火對頂部電池底面具有更高的加熱效率。
4 火蔓延觸發(fā)過程能量傳遞機制
4.1 累計傳遞能量
實驗3雖能復(fù)現(xiàn)實驗2和實驗1的物理過程，但實驗3中底部各節(jié)電池的開閥排氣和熱失控過程在時間維度上存在重疊，底部各節(jié)電池單體為頂部電池累計傳遞的能量無法量化。在實驗2和實驗3中，頂部電池單體的溫升曲線幾乎重合，說明頂部電池經(jīng)歷近似相同的加熱過程，電池間幾乎不存在傳熱效應(yīng)。因此底部電池火焰對頂部電池的傳熱效應(yīng)與頂部電池數(shù)量無關(guān)，通過實驗1與實驗2的數(shù)據(jù)能夠解耦實驗3的能量累加過程，以此可以定量研究觸發(fā)頂部電池火蔓延的過程中，底部各節(jié)電池的累計傳遞能量。
下文首先通過絕熱量熱數(shù)據(jù)驗證實驗計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。表3總結(jié)了該電池?zé)崾Э氐奶卣鳒囟取Ｆ渲凶援a(chǎn)熱溫度T1為116.6 ℃，熱失控起始溫度T2為179.7 ℃，開閥排氣溫度Tv為158.4 ℃，電池絕熱量熱溫升曲線如圖10所示。由式(2)計算得出，觸發(fā)電池單體開閥排氣所需能量為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)來源于絕熱量熱數(shù)據(jù)及上文3組實驗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)計算，各組實驗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)計算的開閥能量界限以下，約占開閥能量的84.6%；底部2節(jié)電池對頂部每節(jié)電池單體傳遞的能量為334.3 kJ，恰在絕熱量熱數(shù)據(jù)所計算的開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%。實驗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，與通過絕熱熱失控測試數(shù)據(jù)計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，分別為來自底面的傳熱、來自側(cè)面的傳熱、自產(chǎn)熱、對流輻射散熱，如式(3)所示。由于在加熱過程中自產(chǎn)熱速率極小，且加熱持續(xù)時間較短，自產(chǎn)熱在這個過程中可以忽略不計。頂部電池在火焰的包裹下，通過對流輻射向環(huán)境的散熱也可忽略不計。
圖12為實驗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，因此可以近似認(rèn)為底部火焰對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。但火焰對側(cè)面的加熱并不均勻，無法確認(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。通過底面的傳熱量由式(5)計算，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底面和側(cè)面的傳熱量占比，進一步為儲能系統(tǒng)的定向安全防護提供指導(dǎo)思路。
式中，Qtrig為頂部電池觸發(fā)能量，kJ；Qbo為頂部電池通過底面接收的熱量，kJ；Qside為頂部電池通過側(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，通過底面的傳熱量為180.5 kJ，占總觸發(fā)能量的47.5%；通過側(cè)面的傳熱量為199.2 kJ，占總觸發(fā)能量的52.5%。由此可見，兩個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 能量傳遞機制
圖14總結(jié)了本工作雙層儲能電池火蔓延發(fā)生的能量傳遞機制：在底部1#電池經(jīng)歷開閥排氣和熱失控后，頂部3節(jié)電池內(nèi)部經(jīng)歷了第一個溫升階梯，此時頂部電池積累能量249.1 kJ，但這些能量不足以引起熱失控和開閥；接著底部2#電池經(jīng)歷開閥排氣和熱失控，頂部電池內(nèi)部經(jīng)歷第二個溫升階梯，內(nèi)部能量積累至334.3 kJ，這些能量能夠引起開閥排氣，但距離觸發(fā)熱失控還需要45.4 kJ；然后底部3#電池經(jīng)歷開閥排氣和熱失控，頂部3節(jié)電池內(nèi)部經(jīng)歷第三個溫升階梯，此時達到觸發(fā)熱失控所需要的能量邊界379.7 kJ，3節(jié)電池同時發(fā)生熱失控。在整個過程中，頂部電池通過兩個側(cè)面的傳熱占比52.5%，通過底面的傳熱占比47.5%。
圖14 能量傳遞機制
通過本研究可以發(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)生前有充足的時間(1061 s)進行人為干預(yù)，因此應(yīng)當(dāng)利用這一段黃金時間，及時進行消防滅火工作；最后，在電池模組設(shè)計過程中，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
本工作通過開展雙層磷酸鐵鋰電池模組火蔓延實驗，設(shè)計雙層電池數(shù)量分別為1節(jié)、2節(jié)和3節(jié)的實驗方案，研究了100 Ah磷酸鐵鋰電池火蔓延特性及觸發(fā)過程的能量傳遞機制。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性。
（3）在火蔓延觸發(fā)過程中，底部電池依次發(fā)生開閥排氣和熱失控，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)過程中，底部3節(jié)電池累計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，通過底面?zhèn)鳠嵴急?7.5%，通過側(cè)面?zhèn)鳠嵴急?2.5%。
