車載動力電池系統(tǒng)熱失控分析與研究

摘要：電動汽車使用車載動力電池系統(tǒng)熱失控方面的安全性關(guān)系重大，為解決車載動力電池系統(tǒng)熱失控問題，對車載動力電池系統(tǒng)熱失控進(jìn)行了試驗(yàn)分析與研究。通過對比設(shè)計(jì)的防止熱失控的方案，得出了一種比較優(yōu)異的試驗(yàn)方案，能夠通過較為嚴(yán)苛的UL2271標(biāo)準(zhǔn)，該方案一定程度上可以增強(qiáng)車載動力電池系統(tǒng)使用的安全性和穩(wěn)定性，為車載動力電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無熱失控，無熱擴(kuò)散，無明火設(shè)計(jì)方面提供了重要的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：熱失控；動力電池系統(tǒng)；熱擴(kuò)散；無明火；電動汽車

車載動力電池系統(tǒng)是一種能夠獨(dú)立提供動力源的產(chǎn)品[1～3]，車載動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的核心零部件，其安全性和可靠性顯得至關(guān)重要[4～7]。熱失控是動力電池系統(tǒng)不可忽視的問題，其原理是個別電芯發(fā)生故障產(chǎn)生熱擴(kuò)散，從而導(dǎo)致整個動力電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控，超過安全溫度，最終導(dǎo)致起火、爆炸現(xiàn)場的發(fā)生[8]-[12]。

為了更好地保證動力電池系統(tǒng)的安全性，特別是發(fā)生熱失控時候能夠有效降低熱蔓延，設(shè)計(jì)了一套熱失控試驗(yàn)方案。通過對比改善前后的試驗(yàn)方案，得出了一種能夠有效防止車載動力電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控的方案，為車載動力電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無熱失控，無熱擴(kuò)散，無明火設(shè)計(jì)方面提供了重要的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

搭建試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.觸發(fā)位點(diǎn)選擇

如圖1所示，選取二層支架下層遠(yuǎn)離防爆閥M6模組作為觸發(fā)模組；Cell 7做為觸發(fā)電芯，將原本的PU泡棉改為2mm的氣凝膠，cell 7和氣凝膠之間放置加熱片。

2.加熱位點(diǎn)和加熱片選型

如圖2所示，加熱片放置于電芯中心，加熱片選型見表1。

3.溫度采集點(diǎn)布置

電芯溫度采集點(diǎn)布置如圖3所示。T1采集的是Cell 1溫度，T2采集的是Cell 5溫度，T3采集的是Cell 6溫度，T4采集的是加熱片溫度，T5采集的是觸發(fā)電芯Cell 1背面溫度；T6采集的是Cell 8溫度，T7采集的是Cell 9溫度，T8采集的是Cell 12溫度，T9采集的是觸發(fā)模組M6端板外側(cè)溫度，T10采集的是觸發(fā)模組M6靠近鄰近模組M5大面中心溫度，T11采集的是靠近M6鄰近模組M5外壁大面中心溫度，T12采集的是觸發(fā)模組上層模組M1溫度，T13采集的是鄰近模組上層模組M2溫度，T14采集的是防爆閥溫度。

4.電壓采集點(diǎn)布置

電壓采集布置如圖4所示：

1）模組外部采集觸發(fā)模組M6、鄰近模組M5電壓。

2）采集M6和M5的電壓Vm6和Vm5。

3）模組外部上左右三個方向粘貼2mm厚度哥斯拉防火材料。

5.熱失控觸發(fā)條件

（1）測試環(huán)境 將待測樣品放置恒溫設(shè)備內(nèi)均溫至45～55℃（測試要求溫度）。

（2）觸發(fā)方式 加熱觸發(fā)熱失控，加熱片功率采用300W。

（3）樣品電量 補(bǔ)電至100%SOC。

（4）觸發(fā)判斷 ①當(dāng)發(fā)生觸發(fā)電芯電壓下降到2.5V以下；②觸發(fā)電芯背溫溫升速率達(dá)到1℃/s，且持續(xù)3s；③防爆閥溫度前后溫差＞20℃，當(dāng)滿足①②或①③時，立即切斷電源，停止加熱。

（5）液冷狀況 測試前液冷板蓄滿水，通過液冷調(diào)整電池包溫度45～55℃。

（6）數(shù)據(jù)采集 視頻監(jiān)控和數(shù)采監(jiān)控，兩者時間一致，視頻記錄不少于兩個角度，數(shù)采記錄間隔不大于1s。視頻和數(shù)據(jù)記錄24h，因數(shù)據(jù)量大，建議采用以下方式：觸發(fā)失控時記錄1h數(shù)據(jù)，失控后12h再記錄1h數(shù)據(jù)，失控后24h再記錄0.5h數(shù)據(jù)。

（7）BMS通信 加入熱失控報警策略，熱失控測試時開啟BMS通訊記錄數(shù)據(jù)；

（8）其他事項(xiàng) 當(dāng)發(fā)生大規(guī)模燃燒、爆炸、電弧現(xiàn)象，需要立即沉水處理；

（9）判定通過標(biāo)準(zhǔn) 滿足標(biāo)準(zhǔn)UL2271發(fā)生熱失控1h無明火。

試驗(yàn)過程與研究分析

1.熱失控時間軸

熱失控試驗(yàn)過程如圖5所示。

2.視頻時間分析

從圖5所示分析可知：

1）加熱片加熱31s模組發(fā)生熱失控，防爆閥噴出明火時間為38min24s。

2）觸發(fā)模組M6失效時長為2min40s， M6失效結(jié)束14min18s后M5發(fā)生熱蔓延。

3）鄰近模組M5失效時間為5min19s， M5失效結(jié)束15min33s后上層模組發(fā)生熱蔓延。

4）上層模組38min10s時發(fā)生熱蔓延伴隨著多個電芯同時失效產(chǎn)生強(qiáng)烈氣流且伴隨大量火星，約14s后防爆閥噴火。

5）未滿足1h無明火要求。

根據(jù)觸發(fā)模組M6熱失控結(jié)果（見圖6）和熱失控溫感變化時間（見表3），觸發(fā)模組數(shù)據(jù)分析如下：

1）觸發(fā)模組M6從溫度看失效時間為：2min40s。

2）2mm氣凝膠隔熱時間T4～T3為74s。

3）左側(cè)T3～T1蔓延時間為115s，右側(cè)T5～T8蔓延時間為105s。

模組M6-模組M5表面溫度變化如圖7所示，觸發(fā)模組-鄰近模組外部溫度：觸發(fā)模組M6外側(cè)溫度T10始終保持在500℃之上，始終對鄰近模組M5進(jìn)行熱傳導(dǎo)。

模組M5電壓變化如圖8所示，鄰近模組數(shù)據(jù)分析：鄰近模組M5電壓有規(guī)律的掉落，云母片對電芯間熱蔓延有一定防護(hù)作用。

上層模組溫度溫度變化如圖9所示：

1）T12為觸發(fā)模組上層模組表面溫度，在很長時間內(nèi)一直在慢慢升溫，在2383s時間點(diǎn)突然陡升，說明此時該上層模組發(fā)生熱蔓延。

2）上冊模組失效原因：①基于觸發(fā)模組端板排氣，且主要通過端板上半部分塑料件區(qū)域排氣，其排氣方向會對二層之間造成直接沖擊；②觸發(fā)模組M6和鄰近模組M5失效后溫度長時間處于600～800℃，二層之間和上層模組始終處于烘烤狀態(tài)；③液冷不進(jìn)行循環(huán)，液冷板內(nèi)的水會被快速加熱到一定溫度，起不到散熱作用。

3）最終：觸發(fā)模組→傳熱→二層支架→導(dǎo)熱→二層模組，二層模組底部快速升溫發(fā)生熱失控。

熱失控模組狀態(tài)如圖10所示，觸發(fā)模組分析：

1）觸發(fā)模組M6外殼保存完好。

2）鄰近模組M5靠近防爆閥邊出現(xiàn)模組上封邊和側(cè)封邊撕裂（橢圓形區(qū)域）。

3）觸發(fā)模組M6通過膨脹與鄰近模組緊挨著，處于較高溫度的M6通過導(dǎo)熱方式對M5進(jìn)行傳熱，導(dǎo)致M5發(fā)生熱失控（矩形區(qū)域）。

上層模組狀態(tài)如圖11所示，上層模組分析：

1）觸發(fā)模組的噴發(fā)方向?yàn)榧^①，主要噴到邊梁和上層支架上。

2）圖二圓圈位置二層支架和上層模組鋁端板通過螺栓緊密相連，會導(dǎo)致支架溫度快速傳遞至上層模組鋁端板（ ②箭頭方向）。

3）模組端板上方為塑料區(qū)域，為熱失控后的噴發(fā)位置。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析及改善方案

（1）試驗(yàn)結(jié)果分析。

1）模組表面粘貼2mm的哥斯拉，不足以防止模組間熱蔓延，需更換更佳隔熱材料；

2）基于模組的噴發(fā)位置在模組端板的上半部分，底層觸發(fā)模組熱失控后噴發(fā)的氣流會對二層支架造成直接沖擊和加熱，且二層之間和上層模組的鋁端板由螺栓緊密連接，間接導(dǎo)致觸發(fā)模組失效噴發(fā)的熱量快速傳遞至上層模組端板和底部。

（2）改善方案。

1）堵和疏原則：基于液冷不能循環(huán)、不能疏散熱量，只能通過增強(qiáng)隔熱來堵以增加隔熱時間（從試驗(yàn)的38min增加至1h）。

2）針對第一點(diǎn)：模組外部兩個面2mm厚度哥斯拉更替為2mm厚度氣凝膠（圖12箭頭所示）；相鄰模組之間的雙層2mm厚度哥斯拉更替為2mm厚度的氣凝膠，以增強(qiáng)模組間隔熱防護(hù)（見圖12中方框標(biāo)識所在位置）。

3）如圖13所示，方框標(biāo)識的地方為二層支架熱失控?zé)釠_擊區(qū)域。該區(qū)域的底部粘貼2mm厚度的哥斯拉（或2mm厚度云母+氣凝膠組合件），以防護(hù)底層模組失效對二層支架的沖擊傳熱，間接防護(hù)二層模組發(fā)生熱蔓延。

（3）視頻時間分析 從改善后熱失控試驗(yàn)過程（見圖14）分析可知：

1）加熱片加熱31s模組發(fā)生熱失控，兩個模組失效，實(shí)現(xiàn)1h無明火。

2）觸發(fā)模組M6失效時長為3min27s，M6失效結(jié)束41min25s后M5發(fā)生熱蔓延。

3）鄰近模組M5失效時間為3min28s，上層模組未發(fā)生發(fā)蔓延。

4）相鄰模組之間的雙層2mm氣凝膠材料隔熱時間41min25s，無法滿足橫向相鄰模組間熱蔓延需求。

5）模組上層2mm厚度的氣凝膠材料和二層支架底部2mm厚度的哥斯拉材料可以防止上下層模組間熱蔓延。

結(jié)語

本文對車載動力電池系統(tǒng)熱失控試驗(yàn)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。通過對改善前后的試驗(yàn)方案進(jìn)行對比，從而獲得了一種防止熱失控發(fā)生的較佳方案，該方案可以通過嚴(yán)苛的UL2271標(biāo)準(zhǔn)，為車載動力電池系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)無熱蔓延，無熱失控方面提供了重要的參考依據(jù)，可以在一定程度上保障了車載動力電池系統(tǒng)使用的安全性和可靠性，為實(shí)現(xiàn)車載動力電池實(shí)現(xiàn)無熱擴(kuò)散設(shè)計(jì)方面提供一定的參考價值意義。

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