风冷圆柱形锂离子电池系统热失控扩展特性

2021-03-19张志鸿牟俊彦孟玉发

储能科学与技术 2021年2期

张志鸿，牟俊彦，孟玉发

(中车资阳机车有限公司，四川资阳 641300)

大功率混合动力机车成熟产品及应用较少，缺乏安全事故方面数据，但是动力汽车行业已有大量安全事故的统计数据。近年来汽车动力电池事故均是由于电池组中的某一个电池单体发生热失控后产生大量热，导致周围电池单体受热引发热失控扩展[1]。热失控不仅是发生安全性问题的本质原因，也成为了制约锂离子电池性能表现的短板之一[2-3]。

锂离子动力电池系统热失控安全性事故发生有两种情况，一种是电池系统长期老化带来的可靠性降低；另一种是突发事件造成电池系统损坏[4]。不断发展的冷却技术和BMS 技术保证了在正常情况下监测电池的安全状态，并进行主动保护。但随着该技术的复杂化、设备老化，系统的可靠性逐渐降低，以及不可预判的突发事件，该类技术不能完全保证电池系统的安全[5]。需要在动力电池系统中应用热失控扩展阻断技术，当所有安全防护技术失效且出现局部单体热失控后防止引发其他单体热失控，从而降低危害和损失。

造成锂离子动力电池热失控事故的触发形式很多，其他触发形式的机理分析都离不开对于热触发机理的研究[6]。因此，文中通过指定电池系统内单体热失控，仿真计算电池系统温度特性，探究模组内部、电池包间热失控传播特性。

1 单体电池热失控特性

大量实验研究表明，电池热失控过程有三个共性的特征温度：电池自产热起始温度(T1)；热失控触发温度(T2)，温度达到T2后开始发生热失控，温度骤升无法控制；热失控后电池达到的最高温度(T3)。

对于磷酸铁锂电池T1为80～160 ℃，T2为150～250 ℃[7]，单体绝热环境热失控以后的最高温度大都不超过500 ℃，图1为某磷酸铁锂电池热失控温度曲线[8]。

图1 某磷酸铁锂电池热失控ARC测试温度曲线[8]Fig.1 Temperature of LFP after thermal runaway obtained by ARC test[8]

在电池质量m、比热容cp已知的情况下，可根据电池热失控温度曲线(T-t曲线)计算得到电池热失控过程生热功率q，见式(1)。

绝热测试中，当电池温度达到最高值以后不再生热，温度降低，计算热失控生热功率时只需考虑从自产热到温度最高这个过程。因此通过MATLAB编程提取了图1中100%SOC电池热失控温度达到最高值前的数据。再将提取的离散点通过高斯函数拟合，拟合函数见式(2)，函数曲线见图2。

图2 拟合曲线与提取离散点Fig.2 Fitted curve and extracted discrete points

如图2所示，拟合的函数曲线与提取值吻合较好。对拟合的温度函数式(2)求导得到式(3)

根据电芯的比热容、质量及式(1)计算得到生热功率如图3所示。

图3 单体热失控生热功率Fig.3 Heat power of cell with thermal runaway

2 模组内电池热失控扩展研究

此次研究的大功率圆柱形锂离子动力电池系统采用空调风冷，动力电池工作时空调机组运行将电池室内冷却循环空气中的热量带走，保证电池在合理温度范围；动力电池停止工作时空调机组停止运行。

2.1 计算模型

单个模组为60(6×10)并10 串，因模组内任意电芯热失控后，受影响最大的为其周围电芯，因此文中选取18(6×3)并3 串进行仿真计算。计算模型及电芯标记如图4所示，图中箭头为冷却风流向。

图4 模组内热失控扩展计算模型Fig.4 Calculation model for thermal runaway propagation in module

仿真计算中设定电芯2-9、2-10 发生热失控，分析其他电芯的温度变化，因计算域为对称结构，建立四分之一模型进行计算。

在工况1(电池按额定功率持续运行)、工况2(电池系统停止工作，空调机组停运)这两种工况时热失控后对其余电芯影响最大。使用Fluent软件及其DO辐射传热模型进行仿真计算，电芯表面与空气进行共轭传热(couple 边界)，热失控电芯生热速率通过自定义函数(UDF)定义，其余相关设置见表1。

2.2 工况1热失控扩展特性研究

图5 为电芯2-9 开始自生热1186.5 s 后模组中第2 并电池中间截面空气温度分布及速度矢量图。模组中并联电芯间距为7 mm、2 mm 间隔排列，2 mm 间隙中布置有拉杆。冷却风主要从7 mm 缝隙中流过，2 mm 缝隙处几乎无冷却风。在高温电芯(2-9、2-10)表面极薄的一层空气温度有明显变化，远离电芯表面空气温度几乎无影响。

表1 仿真计算相关设置Table 1 Some settings related to simulation

图5 t=1186.5 s电芯温度分布云图及速度矢量图Fig.5 Temperature distribution and velocity distribution of cell at 1186.5 s

图6 为各单体温度曲线。电芯2-9 给定初始温度80 ℃，其余电芯初始温度为42 ℃。857.8 s 后电芯2-9 温度为104.4 ℃，并未达到绝热测试中的热失控触发温度(150～250 ℃[7])，电芯2-9 不会发生热失控。因定义了电芯2-9 生热功率为绝热测试的热功率，电芯2-9 的温度仍然骤升。但由于传热的影响，电芯2-9最高温度为340 ℃，低于绝热热失控的最高温度500 ℃。

图7 为各单体温度曲线放大图，因电芯2-9 温度升高，导致其周围电芯温度升高，但所有电芯温度均低于自生热温度(80～160 ℃[7])。单体2-15、1-9温度最高，其次为电芯2-3、1-15。因冷却风对电芯2-9 冷却后，温度升高，从而加热了下游的电芯2-15，同时电芯2-9通过电池底座热传导，导致电芯1-9 的温度也明显升高。电芯1-9 温度升高后又造成电芯1-15温度略微升高。电芯2-3虽然与热失控电池2-9 很近，因处在电芯2-9 的上游，受空调风冷的作用，其温度较2-15、1-9 低，其热源主要来自热辐射。电芯2-8 虽然在2-9 旁边，但间隙为7 mm，空调风冷效果较好，其温度也仅略微增加。其他区域电芯温度近乎保持不变。

图6 各单体温度曲线Fig.6 Transient temperature of each cells

图7 各单体温度曲线放大图Fig.7 Zoom in of transient temperature of each cells

在空调通风冷却情况下，少量电芯由于某种原因造成自生热的热量被冷却风带走，电芯不会因为热量累计使得其温度达到热失控触发温度，热失控将得到抑制。即使某颗电芯发生了热失控也不会引发其他电芯热失控，造成热失控扩展。

2.3 工况2热失控扩展特性研究

动力电池系统停止工作、空调停机时单体2-9热失控2504.4 s后模组中第2并电池中间截面空气温度分布及速度矢量见图8，图9 为各单体温度曲线。

由于单体2-9 温度升高，造成2-9 周围空气温度升高、密度降低、产生向上的浮升力，空气向上对流，如图8 所示。向上对流的空气对与2-9 并联的电芯2-3 加热，以及热辐射的影响，电芯2-3 温度升高，并出现热失控。电芯2-3 热失控后，与2-3串联的1-3温度升高然后热失控。与2-9串联的1-9 之所以较1-3 后出现热失控，是因为处于下方的电芯受空气对流冷却的效果好于上方电芯，上方电芯周围空气温度明显高于下方电芯。

图8 t=2504.4电芯截面温度云图及速度矢量Fig.8 Temperature distribution and velocity distribution of cell at 2504.4 s

图9 各单体温度曲线Fig.9 Transient temperature of each cells

工况2的仿真分析表明，某一颗电芯热失控将会导致与其串联和间距为2 mm的并联电芯出现热失控。因7 mm 间隙中间空气对流冷却效果较好，且仿真模型中电芯的数量较少，以上仿真过程中未发现7 mm间隙的电芯出现热失控，但不能排除相距7 mm 的电芯出现热失控的可能性，主要原因如下：

（1）工况2的仿真可看出，随着热失控电芯数量的增加，空气对流冷却的效果变弱，热失控单体的最高温度逐渐增加，且发生热失控单体的间隔时间逐渐变短；

（2）虽然相距7 mm间隙的电芯温度并未达到自生热温度，但其温度值仍在缓慢增加；当相距2 mm 的并联电芯及与其串联的电芯热失控达到一定数量，相距7 mm间的电芯温度可能达到自生热温度；

因此，下一节将分析多个电芯热失控后对与其间距为7 mm的并联芯及上层电池包的影响。

3 多个电池单体热失控扩展研究

3.1 计算物理模型

前面分析发现某一单体热失控后将会引发与其串联的电芯及与其间隔2 mm的并联电芯发生热失控。且现实中由于机械碰撞或外部短路，可能多颗电芯同时热失控，若有相距7 mm的并联电芯同时热失控，则必然导致整个模组的热失控。为了探究多个单体电芯热失控在模组内的扩展特性，建立了如图10 所示模型，假设模组内某一列电芯同时热失控(编号为0)，仿真分析与其间隔7 mm的并联电芯是否发生热失控，同时分析上一层电池包内电芯是否发生热失控。

图10 电池包间热失控扩展计算模型Fig.10 Calculation model for thermal runaway propagation in pack

初始条件设定图10 中编号为0 的10 个单体电芯温度为80 ℃，并施加图3 所示的生热功率。其余电芯初始温度设定为40 ℃，无生热功率，周围空气温度为40 ℃，其余相关设置参见表1工况2。

3.2 热失控扩展特性

编号为0的10个电芯热失控1582 s后其余电芯温度见图11，图中1～10 对应第1 列编号为1-1～1-10的10个电芯，11～20对应第2列编号为2-1～2-10的10个电芯，21～26对应上一层电池包编号为3-1～3-6 的6 个电芯。图12 为中间截面的温度云图及速度矢量图。

图11 t=1582 s各电芯温度Fig.11 Temperature of each cells at 1582 s

图12 t=1582 s电池中间截面温度云图及速度矢量Fig.12 Temperature distribution and velocity distribution of each cell at 1582 s

从图11 可知，第1 列的10 个电芯中除了最下方的2个电芯，其余电芯温度均达到了自生热温度(80 ℃)。因冷却空气从下往上对流过程中温度不断升高，1-1～1-8的温度逐渐增大；因两个电池包间有较大的间隙，空气扰动增强了1-9、1-10 的冷却效果(图12)，其温度略低于1-8。第2 列的10 个电芯(2-1～2-10)，温度较均匀，温升约为10 ℃。上层电池包的电芯3-1 直接受下层电池包高温空气对流加热及热失控电芯辐射传热的影响，其温度已超过自生热温度。因此，下层电池包热失控以后将会导致上层电池包的热失控。

4 热失控扩展阻断设计方法初探

从电池模组、电池包、电池系统的角度出发，查阅到抑制热失控扩展的方法有：保证安全的电池间距[8-9]、设置隔热层[7]、电芯阀喷导流技术[10]、降低热失控时内短路释放的总电能[7]、热管理系统加强散热[1]、应急冷却喷淋技术[1,10]、防爆泄压装置等[10]。大功率混合动力机车动力电池系统电池单体数量巨大(达103200 个单体)，虽然外形达到2 m×4 m×2 m，但是内部结构依然紧凑，上述方法有些难以工程应用。

电芯阀喷导流技术是将电池热失控后阀喷的火焰、高温可燃气体及颗粒导出到模组或电池包外部，由于混合动力机车电池系统体积、电芯数量庞大，该技术的应用有待研究。研究表明[11]，SOC越低的电池，热失控放热量越低，引发失控扩展的概率也越低。但是，对于大功率混合动力电池系统，难以精确地控制短路电芯在短时间内放电到安全SOC范围。

研究表明，对于圆柱形电池，电池间距较大时风冷系统能够抑制热失控的扩展[12]。前文仿真计算也发现，在空调机组强迫风冷情况下，当模组内某一颗电芯热失控后不会引发扩展。文中研究的大功率混合动力机车电池系统可在检测到有少量电芯热失控后控制空调机组以最大制冷量对电芯进行强迫冷却。考虑到管理系统可能无法及时识别电芯热失控，而将每颗电芯间都设置隔热层必然不可实现，因此在模组和电池包的层面布置隔热层，减少受影响的电芯数量。同时在上下电池包间布置应急冷却喷淋装置，防止下层电池包热失控以后引发上层电池包热失控。若前面措施无法避免大规模热失控，通过在电池系统布置防爆泄压阀及将电池系统布置在远离司机室区域来保障乘务人员安全。