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模组间的热失控研究

  次浏览  知化汽车  2020/03/02

单个电芯(cell-to-cell)的热失控研究的相对较多,而模组间(module-to-module)的研究较少,即便有企业在进行,也不便于公开。模组间的热失控在一定程度上更能够呈现实际发生热失控时,整个PACK层面的蔓延情况.



清华大学汽车安全与节能国家重点实验室在今年发布了不少关于电池热失控的研究,其中有一个就是关于module-to-module的热失控研究。测试所用的电池包由国内某主机厂提供,总电量为13kWh,成组为96S1P8个模组,分为两层,下层4个模组,上层4个模组,电芯的具体参数如下:



测试时,选中下层一个模组作为热失控触发的模组,选择的触发方式为加热膜直接对电芯进行加热。所以,在测试前需要对每个模组进行适当的变动,以满足测试需要。除了触发模组外,其他模组均需要安装热传感器进行温度监测,整个准备过程如下所示。




所选择的模组为标记为D2,下层其他模组分别为D1D3D4,上层模组为U1U2U3U4。加热膜安装在靠近模组端板侧的电芯外侧,每两个电芯之间一个热传感器,布置的示意图如下。



整个热失控过程的观察分为3个阶段,第一个阶段为模组D2内的电芯热失控蔓延;第二个阶段为相邻模组的热失控蔓延;第三个阶段为整个PACK层面的热失控。第一阶段模组内各电芯热失控的时间-温度图如下,大约在1511 秒时,靠近加热膜的电芯首先发生热失控。随后,电芯依次发生热失控。每个电芯的温度曲线会有两个突变点,第一个以小三角表示,为电芯朝向加热膜方向(前面)的温度、菱形为电芯背向加热膜那一面(背面)的温度。可以看出,前一个电芯第二次的温度突变点与后一个电芯发生热失控的时间基本相同。



除了上述特征外,还有几个较明显的规律:(1)越是后发生热失控的电芯,所监测到的温度越高,这是受已经发生热失控电芯热量、以及明火烧烤的影响;(2)两个电芯之间热蔓延的时间越来越短,从376秒减少至141秒。(3)电芯前面的温度远高于背面,从试验来看,前面的温度在400°C550°C之间,平均温度495°C,背面的温度在100°C200°C之间,平均温度144°C



该阶段只有D2模组发生热失控,但整个PACK已有浓烟和明火喷出。



在大约4012 秒时,U2模组(D2正上方)发生了热失控,刚开始的几个电芯(第1419个电芯)热失控温度现象与D2较为相似(个别电芯出现3次温度突变),后面的几个电芯(第2024)的温度表现则更为快速。



同时,这个阶段电芯发生热失控的顺序也并不如D2那个有序,而是无序的,这表明D2电芯发生的热失控不仅受相邻电芯的影响,还受整个PACK温度分布,以及其它因素如火烧的影响。



4114 s时,与D2相邻的模组D1也发生的热失控,不过,D1内的热失控现象与D2/U2不同,热失控温度和蔓延时间如下。



上述3个模组内,每个电芯前面和背面温度的比较如下。


在第4618 秒时,模组U1也发生了热失控,在余下的测试中其他模组暂没有发生热失控(在4930秒时,为安全起见,将PACK浸水,从而终止了测试)。

 

关于该次研究,以下3点值得注意:

1)有双层模组设计的,在模组之间应有阻燃隔热,因为上方模组会受到下方模组明火的直接烧烤,吸收的热量会高于其他模组;

2)到第二个阶段时,整个热失控更为剧烈,已经很难控制了,因此,阻止热失控最好是将其控制在第一阶段,即限制在模组范围内,这与Tesla对热失控防护思路的转变是一致的:在Model S时,思路是在整个PACK级来进行防护;在Model 3时,思路是在模组级来进行防护。

3)这个包是相对较早的了,所用的电芯为NCM111,比能低、安全性相对较高,不能很好地代表当前622811的电芯热失控现象。

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