基于主動(dòng)降溫的熱失控鋰離子電池?zé)釘U(kuò)散抑制研究

翟旭亮 王文健 劉渺然 王業(yè)斌 侯典坤 董謙

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

1 前言

鋰離子電池因具有高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)壽命和環(huán)保等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車[1]。受鋰離子電池自身材料特性的影響，使用過程中出現(xiàn)熱濫用、電濫用、機(jī)械濫用等情況時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象[2]。

動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部由電芯單體串、并聯(lián)組成，單個(gè)電芯發(fā)生熱失控后，會(huì)通過電芯防爆閥噴發(fā)出大量高溫高壓的可燃物質(zhì)，并將熱量迅速傳遞到相鄰電芯，相鄰電芯溫度超過安全限值后會(huì)發(fā)生熱失控，這種由單一電芯熱失控引發(fā)相鄰電芯相繼發(fā)生熱失控的現(xiàn)象即為熱擴(kuò)散[3]。熱擴(kuò)散會(huì)引起電動(dòng)汽車發(fā)生火災(zāi)，因無法接觸到正在燃燒的電池組，在沒有足夠冷卻的情況下，火災(zāi)容易在第一次撲滅后復(fù)發(fā)，導(dǎo)致更嚴(yán)重的事故[4]。

從熱量傳遞的角度分析，抑制熱擴(kuò)散的發(fā)生需要將熱失控電芯的相鄰電芯溫度控制在安全限值以下。從傳熱學(xué)角度有2 種解決方法：增加熱失控電芯與相鄰電芯之間的熱阻；吸收熱失控電芯的產(chǎn)熱量，減小與其相鄰電芯之間的溫差。目前前者應(yīng)用較為廣泛，如在電芯間增加氣凝膠、石棉、巖棉等低導(dǎo)熱系數(shù)且阻燃的材料[5-8]，其問題在于隨著單體電芯能量密度的持續(xù)增加，電芯正極材料中鎳含量越來越高，熱穩(wěn)定性也隨之變差[9]，單純使用熱阻隔手段難以保證電池包內(nèi)不發(fā)生熱擴(kuò)散。針對(duì)吸收熱失控電芯的產(chǎn)熱量，已有研究中所采用的冷卻介質(zhì)包括水蛭石分散液[10]、全氟己酮[11]、熱氣溶膠[12]、液氮[13]等，以上冷卻介質(zhì)對(duì)于電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說均為額外新增物質(zhì)，對(duì)電池系統(tǒng)的內(nèi)部空間布置、成本控制均有不利影響。

冷卻液（乙二醇水溶液）是動(dòng)力電池系統(tǒng)中常見的溫度控制介質(zhì)，本文采用冷卻液作為電芯熱失控冷卻介質(zhì)，選用某型號(hào)方形三元鋰離子電池作為研究對(duì)象，通過主動(dòng)澆注降溫手段，探究不同澆注量下的熱失控電芯及其相鄰電芯的溫度變化規(guī)律，并模擬實(shí)車環(huán)境研究水泵對(duì)澆注流速的影響。

2 主動(dòng)降溫方法

2.1 降溫原理

對(duì)于采用液體冷卻裝置的電池系統(tǒng)，在正常工作狀態(tài)下，電池主要通過液冷板與換熱介質(zhì)進(jìn)行對(duì)流換熱。電池將熱量傳遞給冷卻液，再通過冷卻液的持續(xù)流動(dòng)帶走熱量，冷卻液吸收的熱量計(jì)算公式為：

式中，QS為冷卻液吸收的熱量；Cp為冷卻液的定壓比熱容；m為冷卻液的質(zhì)量；ΔT為電池?fù)Q熱前、后冷卻液的溫差；q為冷卻液流量；ρ為冷卻液密度；t為冷卻液和電池的換熱時(shí)間。

電芯發(fā)生熱失控后，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，溫度快速升高，此時(shí)單純利用對(duì)流換熱不足以抑制電池溫度升高，當(dāng)熱失控電芯的相鄰電芯溫度達(dá)到一定閾值后，也會(huì)觸發(fā)熱失控，包內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)熱擴(kuò)散現(xiàn)象。為有效抑制熱擴(kuò)散，需要利用比對(duì)流換熱更為有效的換熱方法，即控制第一顆熱失控電芯的最高溫度，使其不足以觸發(fā)熱擴(kuò)散。相比對(duì)流換熱，利用冷卻液顯熱對(duì)電池進(jìn)行降溫，冷卻液在汽化過程中的相變潛熱量要高出數(shù)量級(jí)的差距，且相變過程溫度基本不變。因此，對(duì)于熱失控的電芯，利用冷卻液汽化抑制溫升是更有效的手段，其原理為：

式中，QL為冷卻液由液態(tài)相變到氣態(tài)需要吸收的熱量；mp為汽化的冷卻液的質(zhì)量；Δh為單位質(zhì)量冷卻液的汽化熱。

2.2 冷卻液用于抑制電芯熱失控的可行性

冷卻液為電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常見的換熱介質(zhì)，通過液冷板與電池進(jìn)行換熱。以質(zhì)量濃度為50%的乙二醇水溶液為例，其沸點(diǎn)約為107 ℃，遠(yuǎn)低于電芯熱失控后的峰值溫度，可以利用其蒸發(fā)時(shí)的相變潛熱對(duì)熱失控電芯進(jìn)行降溫，因此選用冷卻液作為相變降溫材料用于控制熱失控電芯溫度，可以達(dá)到抑制電池包熱擴(kuò)散發(fā)生的目的。同時(shí)，根據(jù)GB 38031《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》中對(duì)熱擴(kuò)散成員防護(hù)的要求，抑制熱擴(kuò)散的發(fā)生是保障成員安全的有效手段。

2.3 整車環(huán)境的電池?zé)釘U(kuò)散抑制系統(tǒng)

在電池包設(shè)計(jì)中，可在電池包內(nèi)單獨(dú)設(shè)計(jì)一條水冷支路與已有的冷卻板回路并聯(lián)，水冷支路需要覆蓋所有電芯，確保任意一顆電芯熱失控時(shí)都可以精確降溫。如圖1 所示，熱擴(kuò)散抑制系統(tǒng)由電池包內(nèi)的水冷支路、水管，以及電池包外的儲(chǔ)液壺、水泵、冷卻液回路組成。在發(fā)生熱失控后，水冷支路因接觸電芯熱失控高溫噴射物，迅速被熔斷，冷卻液回路出現(xiàn)泄漏點(diǎn)，向熱失控電芯澆注冷卻液；水泵用于提高冷卻液的澆注流速，提高對(duì)熱失控電芯的降溫效果，儲(chǔ)液壺存儲(chǔ)一定量的用于熱失控電芯降溫的冷卻液。

圖1 熱擴(kuò)散抑制系統(tǒng)原理

熱擴(kuò)散抑制系統(tǒng)的實(shí)際效果主要與以下幾個(gè)參數(shù)相關(guān)：

a.冷卻液澆注時(shí)間。電芯發(fā)生熱失控后，其溫度會(huì)出現(xiàn)快速升高，熱失控抑制系統(tǒng)需要在熱失控電芯將相鄰電芯溫度升高到熱失控觸發(fā)溫度限值前對(duì)其進(jìn)行冷卻液澆注降溫，即熱擴(kuò)散抑制的窗口期。

b. 冷卻液的總澆注量。根據(jù)式（2）可知，用于蒸發(fā)降溫的冷卻液總量越大，可吸收的熱量就越多，對(duì)熱失控電芯的降溫效果越明顯，越不容易發(fā)生熱擴(kuò)散。根據(jù)工程實(shí)際，需要用盡可能少的冷卻液達(dá)到抑制熱擴(kuò)散的目的。

c.冷卻液的澆注流速。電芯熱失控后，越快進(jìn)行冷卻液澆注、單位時(shí)間澆注量越大，對(duì)熱擴(kuò)散抑制效果越明顯。本文熱擴(kuò)散抑制系統(tǒng)中，因流道結(jié)構(gòu)已確定，壓損不變，故流速主要受到冷卻液回路的水泵轉(zhuǎn)速影響。

3 試驗(yàn)平臺(tái)

3.1 熱擴(kuò)散試驗(yàn)臺(tái)架

本文所采用的熱擴(kuò)散試驗(yàn)臺(tái)架有2 種。第1 種以模組作為研究對(duì)象，選取某型號(hào)方形三元鋰離子電池模組作為試驗(yàn)對(duì)象。如圖2 所示，在模組中選擇一顆電芯作為熱失控觸發(fā)電芯，在其內(nèi)部添加熱失控觸發(fā)裝置（加熱膜），并在其側(cè)面幾何中心布置溫度傳感器S1，在其兩側(cè)相鄰電芯側(cè)面幾何中心分別布置溫度傳感器S2、S3用以采集熱失控試驗(yàn)過程電芯溫度信號(hào)。第2 種試驗(yàn)臺(tái)架是在第1 種基礎(chǔ)上，以某型號(hào)電池包作為研究對(duì)象，搭建整包級(jí)別的實(shí)物臺(tái)架用于最終效果驗(yàn)證。

圖2 采溫點(diǎn)示意

3.2 熱擴(kuò)散抑制影響因素分析臺(tái)架

根據(jù)圖1 搭建如圖3 所示的試驗(yàn)臺(tái)架，其中所有臺(tái)架構(gòu)成件均采用與某車型完全相同的1∶1 樣件，包括冷卻液水管、水泵、儲(chǔ)液壺、電池殼體、水冷支路等。所有構(gòu)件的相對(duì)位置盡可能還原在整車環(huán)境中的實(shí)際位置，以研究冷卻回路水泵轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻液澆注量、流速等的影響。

圖3 冷卻液澆注量試驗(yàn)臺(tái)架

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 熱擴(kuò)散抑制窗口期分析

窗口期是對(duì)熱失控電芯進(jìn)行冷卻的最有效時(shí)間段。圖4所示為無任何主動(dòng)冷卻條件下，按3.1節(jié)中方法進(jìn)行熱擴(kuò)散試驗(yàn)獲得的S1和S2處的溫度變化曲線。由圖4 可以看出，電芯觸發(fā)熱失控后表面溫度T1在第104 s 時(shí)達(dá)到713 ℃，其相鄰電芯的表面溫度T2在第130 s 時(shí)達(dá)到200 ℃，而后持續(xù)受到熱失控電芯的加熱，當(dāng)溫度逐步升高到330 ℃后，發(fā)生劇烈反應(yīng)，溫度陡升至超過800 ℃。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，T2的安全溫度限值為200 ℃，由圖4 可知，從熱失控發(fā)生到T2達(dá)到200 ℃需要130 s，因此選擇130 s作為熱擴(kuò)散抑制窗口期。

圖4 熱擴(kuò)散過程中電芯溫度變化

4.2 冷卻液澆注量分析

確定窗口期后，為進(jìn)一步研究不同冷卻液澆注量對(duì)熱擴(kuò)散抑制作用的影響，分別選擇0.8 L、1.2 L、1.5 L的冷卻液澆注量進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示，冷卻液澆注量為0.8 L時(shí)，熱失控觸發(fā)電芯溫度相比無冷卻液澆注的圖4對(duì)照組，最高溫度有所降低，證明使用冷卻液對(duì)熱失控電芯進(jìn)行澆注降溫是有效的。但其相鄰電芯溫度超過安全限值200 ℃，未能避免熱擴(kuò)散發(fā)生。冷卻液澆注量為1.2 L時(shí)，相鄰電芯的溫度在第365 s時(shí)達(dá)到200 ℃，并最終發(fā)生熱失控。冷卻液澆注量為1.5 L時(shí)，觸發(fā)電芯的最高溫度降低至556 ℃，對(duì)應(yīng)相鄰電芯在靜置2 h后未發(fā)生熱失控，證明1.5 L的冷卻液澆注量可以有效抑制熱擴(kuò)散的發(fā)生。

圖5 不同冷卻液澆注量條件下熱失控觸發(fā)電芯和相鄰電芯溫度

此外，為驗(yàn)證抑制熱失控效果的有效性，在1.5 L冷卻液澆注量條件下，共進(jìn)行3 次試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，3次試驗(yàn)相鄰電芯的最高溫度分別為155 ℃、122 ℃、138 ℃，最大差值為33 ℃，誤差原因可能與熱失控觸發(fā)電芯的單體一致性、冷卻液澆注量、速率等有關(guān)。

根據(jù)圖5可知，隨著冷卻液澆注量增大，熱失控觸發(fā)電芯的最高溫度逐漸降低、最高溫度出現(xiàn)更早，說明熱失控電芯可以更快進(jìn)入降溫區(qū)間，對(duì)相鄰電芯的傳熱量更小，相鄰電芯的最高溫度也就更低。增大冷卻液澆注量，可以延遲熱擴(kuò)散發(fā)生，當(dāng)冷卻液澆注量為1.5 L 時(shí)，相鄰電芯未發(fā)生熱失控，熱擴(kuò)散被成功抑制。結(jié)合熱擴(kuò)散抑制窗口期時(shí)間130 s，當(dāng)注液量為1.5 L 時(shí)，確定阻止熱擴(kuò)散的流速為0.69 L/min。

4.3 冷卻液流速影響因素分析

如圖1所示，在整車環(huán)境下，冷卻液儲(chǔ)存在儲(chǔ)液壺中，通過水泵驅(qū)動(dòng)在回路中循環(huán)，其流速的主要影響因素為水泵的轉(zhuǎn)速。

熱失控發(fā)生后，高溫噴射物會(huì)使水冷支路迅速熔斷，冷卻液回路出現(xiàn)泄漏點(diǎn)，由于大氣壓的作用，冷卻液流速會(huì)非常緩慢，因此需要借助水泵進(jìn)行水路循環(huán)。如表1 所示，冷卻液的流速隨水泵轉(zhuǎn)速的提高而提高，在試驗(yàn)的所有轉(zhuǎn)速下，流量均大于需求澆注量1.5 L，但只有水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到2 500 r/min、流速達(dá)到0.71 L/min 時(shí)，才滿足流速不小于0.69 L/min的要求。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，冷卻液的澆注時(shí)長(zhǎng)將會(huì)短于130 s的注液窗口期，因此最終選取2 500 r/min作為整車環(huán)境下熱失控后水泵的設(shè)定轉(zhuǎn)速。

表1 水泵轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻液流速的影響

4.4 電池包實(shí)物驗(yàn)證

為驗(yàn)證所選參數(shù)的真實(shí)熱擴(kuò)散抑制效果，按3.1節(jié)方案搭建整包級(jí)別熱擴(kuò)散試驗(yàn)臺(tái)架，測(cè)溫點(diǎn)位置見圖2。選取水泵轉(zhuǎn)速2 500 r/min、相應(yīng)冷卻液澆注量1.65 L、澆注流速0.71 L/min 作為試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行整包級(jí)別效果驗(yàn)證。如圖7 所示，熱失控觸發(fā)電芯的溫度在熱失控發(fā)生后第69 s 達(dá)到最高值660 ℃，相鄰2個(gè)模組的溫度分別在第386 s、第405 s達(dá)到最高溫度196 ℃、188 ℃，且均未因溫度過高觸發(fā)熱失控。試驗(yàn)過程電池包防爆閥正常開啟排氣，整包未出現(xiàn)熱擴(kuò)散現(xiàn)象，如圖8所示。

圖7 不同澆注量對(duì)熱擴(kuò)散抑制效果

圖8 整包級(jí)熱擴(kuò)散驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)比圖7 整包級(jí)試驗(yàn)的溫度表現(xiàn)與圖5 模組級(jí)試驗(yàn)的溫度表現(xiàn)，雖然整包級(jí)試驗(yàn)相鄰電芯的最高溫度均未達(dá)到電芯熱失控溫度限值200 ℃，但均高于模組級(jí)試驗(yàn)的155 ℃。同時(shí)，整包級(jí)熱失控觸發(fā)電芯的溫度最高值660 ℃也明顯高于圖5 中熱失控觸發(fā)電芯的溫度最高值556 ℃。考慮到整包級(jí)試驗(yàn)的流量1.65 L 大于模組級(jí)試驗(yàn)的1.5 L，顯然整包級(jí)試驗(yàn)的電芯溫度明顯較模組級(jí)試驗(yàn)高。原因在于，相比模組級(jí)試驗(yàn)環(huán)境，整包級(jí)試驗(yàn)因熱失控電芯安裝在密封性良好的電池包內(nèi)，熱失控發(fā)生時(shí)，熱量不能快速導(dǎo)出包外，在相同冷卻液澆注條件下，其觸發(fā)電芯及相鄰電芯的溫升幅度更大。

5 結(jié)論

a. 針對(duì)熱失控電芯，采用冷卻液澆注方法，可以顯著降低其溫升，且其降溫效果隨澆注量的增加而增強(qiáng)。

b.對(duì)于熱失控電芯的相鄰電芯，熱擴(kuò)散發(fā)生時(shí)間隨著澆注量的增加而推遲。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)其溫度始終保持在熱失控溫度限值以下時(shí)，熱擴(kuò)散不會(huì)發(fā)生。

c. 冷卻液的澆注流速是抑制熱擴(kuò)散發(fā)生的重要參數(shù)，在實(shí)車環(huán)境下，其受到冷卻液回路水泵轉(zhuǎn)速的影響，流速與水泵轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)。

d.相比模組級(jí)別熱失控試驗(yàn)，整包級(jí)別試驗(yàn)因電池包殼體的存在，熱失控后熱量不易迅速傳遞到環(huán)境中，需要適當(dāng)提高冷卻液澆注流速以達(dá)到抑制熱擴(kuò)散發(fā)生的目的。