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欧阳明高:动力电池组整包热失控研究

  次浏览  新能源Leader  2020/01/14

为了满足电动汽车对电能的需求,动力电池包通常由数百、甚至是数千只单体电池组合而成,通过串联、并联的方式提升电池组的电压和容量。大量的电池集中在一起,会导致电池组的失效概率提升,特别是电池组内某一电池发生热失控后可能会引起相邻的单体电池发生热失控,进而导致热失控在电池组内部蔓延,危害到乘客的生命和财产安全,因此在新国标中将热失控在电池组内的扩散列为安全测试项目。


近日,清华大学的Shang Gao(第一作者)、欧阳明高和南卡罗来纳大学的Benjamin Ng(通讯作者)、Niloofar Kamyab(通讯作者)等人对热失控在电池包内的扩散过程进行研究,结果表明电池包内热失控的扩散过程分为三个阶段,热失控的扩散速度逐步加快,在电池包设计中通过阻燃绝热层的加入可以有效的减缓热失控在模组之间的扩散速度。


锂离子电池发生热失控通常是因为产热速率远远大于散热速率,导致锂离子电池内部的温度的不断升高,进而引起锂离子电池内部材料的热分解,当电池温度升高到70-90℃,负极表面的SEI膜就会开始分解,温度继续升高负极活性物质开始与电解液发生反应,当电池温度进一步提升后会引起正极活性物质的分解,并释放出O2,而正极分解释放的O2还会进一步与电解液和负极活性物质发生反应释放出大量的热量,从而导致锂离子电池在热失控过程中内部最高温度可达1000℃以上,并引起电池燃烧,甚至爆炸。


实验中作者采用了电动汽车的电池组作为研究对象,电池组的基本信息如下表1所示,电池组共包含8个模组,4个在上部,4个在下部,电池包所使用的单体电池信息如下表2所示,电池的额定容量为37Ah,正极材料为NCM111,负极材料为石墨。

为了方便进行研究,实验中作者对电池包进行了拆解,首先将电池包的上盖移除,然后将电池包内部的汇流排移除,防止短路,然后移除掉冷却系统,最后将电池包内部的模组取出。

为了方便进行区分,作者对电池包内的模组进行了编号,分别为U1-U4D1-D4,其中U代表电池包上部的模组,D代表电池包下部的模组。


为了能够更加方便的研究热失控,作者还对电池模组进行了改造(如下图所示),首先采用角磨机将电池模组外壳打开,然后将单体电池之间的粘接打开,然后在模组内部的单体电池之间放入了72个热电偶,用来检测单体电池的温度变化。

其中位于底部的D2模组除了增加热电偶之外,还增加了一个加热电阻,用以触发热失控,随后这些电池模组被重新装回到电池包之中(如下图所示)。但是作者在重新装包的过程中,并没有将汇流排重新装回,作者认为这不会对测试结果造成影响,但是根据小编的经验,串联结构的汇流排在热失控过程中虽然不会传导电流,但是却是重要的传热通道,很有可能加快热失控的扩散速度,因此为了完全还原真实的使用场景,作者应考虑在安装好汇流排的情况下进行测试。

为了能够更好的理解热失控在电池包内部的扩撒过程,作者将整个过程分为了3个阶段(如下式所示),其中阶段11511s-4012s)代表的是热失控在电池模组内部的单体电池之间扩散,而其他的模组一直在被加热,电池温度持续升高,但尚未发生热失控。第2阶段(4012s-4618s)中热失控扩散到了U2D1模组,也就是D2模组的上部模组和旁边的模组,随后这两个模组内部的单体电池开始发生热失控。第3个阶段热失控扩散到电池包内的其他电池组。

阶段1

下图为D2模组内单体电池的温度变化,从图中能够看到首先通过热电阻触发其中一只单体电池发生热失控,随后该电池开始向临近的一只电池传导热量,并引起临近电池发生热失控,导致热失控在模组内部的传递和扩散。


从下图中能够看到,在D2模组内的单体电池有两个重要的温度点,分别采用三角形和四边形进行标示,其中三角形点代表的为TCi+1电池的热失控开始温度,而TCi电池由于紧邻该电池,虽然已经热失控放热结束,但是受到TCi+1电池的影响温度仍然开始快速升高,该点采用四边形进行标示。

下图为热失控发生时D2模组内单体电池前后表面的温度,从下图可以看到在单体电池热失控发生时前表面的温度为400-550℃,平均温度为495℃(下图a),后表面的温度为100-200℃,平均温度为144℃(下图b)。从下图c可以看到在ARC测试中单体电池的热失控触发温度为215℃,因此热失控的扩散过程中,单体电池受到前一只热失控单体电池热传导的影响,前表面的温度达到495℃左右,从而触发了该电池的热失控,但是由于电池在厚度方向上的热阻比较大,因此此时电池后表面的温度仍然比较低,在144℃左右。

阶段2:

在实验进行4012s以后,位于D2模组上方的U2模组开始发生热失控,在U2模组中最靠近D2模组首先发生热失控电池的TC14电池首先发生了热失控,从下图中能够看到U2模组中热失控在单体电池之间的扩散与D2模组中是比较接近的。但是我们能够注意到在U2电池组中的部分单体电池温度曲线出现了3个转折点,其中第3个转折点(圆圈标示)主要是由于D1模组中单体电池发生热失控产生的高温对其造成了影响。特别是到了最后的5只电池(TC20-TC24)电池的温升曲线出现了巨大的变化,电池温度在短时间内升高到了非常高的温度,同时单体电池之间的热失控扩散规律也出现了明显的变化,这可能是由于单体电池热失控着火燃烧,从而导致对最后的几只单体电池的非均匀加热。

下图为D2模组左侧的D1模组的单体电池温度变化曲线,在4114sD1电池组开始发生热失控,从下图中能够看到离热失控触发点最近的TC25号电池最先发生热失控,但是我们注意到D1模组的热失控与D2U2模组都有着明显的区别,每个单体电池在热失控过程中的温度变化曲线都有着自己的特点,这主要是因为D1电池组在热失控过程中受到的影响因素更多,不仅仅是内部单体电池之间的热失控扩散,还要受到来自D2U2模组热失控过程中传递的热量和燃烧产生的火焰的影响。

三个电池模组在热失控过程中单体电池背面的温度如下图所示,可以看到在热失控过程中U2D1模组内部单体电池的背面温度范围要明显大于D2模组,同时从下图b也可以看到在这一阶段中热失控在单体电池之间的扩散速度要明显的快于第一阶段,这主要是因为U2D1模组在发生热失控时不仅仅受到内部单体电池之间温度传导的影响,还要受到来自其他热失控模组产生的温度传导,以及火焰燃烧传导热量的影响。


同时我们还注意到虽然D1D2模组之间距离更近,热阻更小,但是位于D2上方的U2模组却最先发生热失控,这主要是由于D2模组热失控过程中产生的火焰将对U2模组进行了长时间的加热,促使其率先发生热失控,因此电池模组设计时为了减缓热失控的扩散速度,应在模组之间增加阻燃和绝热材料。

在实验进行4618s后,U1模组开始发生热失控,而其他模组则尚未发生热失控,这表明电池模组之间的保留一定的距离能够有效的延缓热失控在模组之间的扩散,但是我们从下图的照片中能够看到其他的模组也已经受到燃烧火焰的影响,如果实验继续进行仍然会发生热失控,为了保证安全,作者在4930s将电池组浸入水中。

Shang Gao的研究表明在电池包中热扩散存在三个过程:1)第一阶段中,热失控主要是在模组内部单体电池之间扩散,这一阶段热失控扩散速度主要受到单体电池之间热传导的影响;2)第2阶段,热失控开始扩散到相邻的模组,此时热失控扩散速度不仅受到单体电池之间热传导的影响,还会受到电池模组之间热传导和燃烧火焰加热的影响;3)第3阶段,热失控传导到全部电池模组,此时热失控的扩散速度大大增加,短时间内就会释放大量的热量。因此为了降低热失控在电池模组内的扩撒速度,需要在电池包模组内部增加绝热和阻燃层。


本文主要参考以下文献,文章仅用于对相关科学作品的介绍和评论,以及课堂教学和科学研究,不得作为商业用途。如有任何版权问题,请随时与我们联系。

ExperimentalStudy on Module-to-Module Thermal Runaway-Propagation in a Battery Pack, Journalof The Electrochemical Society, 166 (10) A2065-A2073 (2019), Shang Gao,Languang Lu, Minggao Ouyang, Yongkang Duan, Xinwei Zhu, Chengshan Xu, BenjaminNg, Niloofar Kamyab, Ralph E. White and Paul T. Coman

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