鋰離子動力電池組熱失控擴展防護研究進展

鄒振耀，田相軍，王盼盼，凌 澤

（重慶車輛檢測研究院有限公司，國家客車質量監督檢驗中心，電動汽車安全評價重慶市工業和信息化重點試驗室，重慶401122）

0 引言

鋰離子動力電池作為新能源電動汽車的動力源，具有污染小、噪聲小、結構簡單、維護方便、能量轉換效率高等優點。由于單體電池無法滿足電動汽車的要求，通常電動汽車用動力電池是由單體電池通過串并聯組成的電池組構成的。通常把電池組中的某一單體電池內部發生一系列反應形成不可控升溫導致著火、爆炸的現象叫做熱失控。單一電池熱失控釋放出的能量是有限的，但是單一電池觸發熱失控釋放的能量會觸發周圍其他電池單體發生熱失控形成連鎖反應，最終會導致整個電池組的爆炸、燃燒，釋放出更大數量級的能量，造成極大的破壞。因此，動力電池組熱失控擴展防護研究對促進電動汽車行業的發展具有重大意義。

1 熱失控擴展的影響因素

1.1 動力電池組合方式

研究者們發現，電池組不同的組合方式會對電池熱失控擴展產生一定的影響。LAMB等［1］對簡單串、并聯的18650電池組通過針刺觸發熱失控進行實驗，結果發現并聯電路容易發生熱失控擴展。原因是并聯電路中單體電池內部短路后，周圍電池向短路電池放電，促使短路電池內部溫度升高，而周圍電池輸出功率較遠端電池更大，導致升溫速率加快。因此，并聯電路熱失控單體及周圍單體電池升溫更快，更易發生熱失控擴展。LOPEZ等［2］通過仿真實驗研究分析發現，并聯電路蜿蜒式分布比分支式分布更易引發熱失控。

1.2 電池組與環境之間的熱傳導

熱失控電池不及時與環境發生熱交換，進行散熱降溫，那么熱失控電池釋放的熱量就會聚集起來，使周圍電池溫度快速升高直至產生熱失控擴展。

胡棋威［3］分別在敞開體系和封閉體系中對幾種不同容量的電池通過加熱方式觸發熱失控。結果發現：封閉體系比敞開體系更易發生熱失控擴展，原因是敞開體系中熱失控單體產生的火焰不足以加熱周圍單體至熱失控。

SPOTNITZ等［4］通過仿真模擬研究發現：對于由圓柱電池組成的電池組，電池組與環境之間的散熱條件越好，越難發生熱擴展。

1.3 電池之間的熱傳導

電池之間的熱傳導越快，熱失控電池釋放的熱量越容易向周圍電池傳導，越容易引發熱失控擴展。電池的形狀、電池的排列和連接都會對電池之間的熱傳導產生影響。

LAMB等［1］研究發現，方形軟包電池串聯模組比圓柱形電池串聯模組更容易發生熱擴展。這是因為圓柱形電池串聯模組盡管排列緊密，但圓柱形的幾何結構使電池間的接觸面積較小，熱失控電池對周圍電池傳遞熱量較少，不足以觸發周圍電池的熱失控；而方形軟包電池之間有較大的接觸面積使熱量傳遞容易，導致熱擴展更易產生。

WU等［5］分析了方形鋁殼電池模組中的熱傳導途徑，結果發現：熱失控電池的熱量傳導主要通過殼體進行，而極柱連接片傳遞的熱量相對較小。

KIM等［6］通過仿真分析發現：電池極柱連接片越寬，電池通過極柱傳導給周圍電池的熱量就越多，越容易發生熱失控擴展。

1.4 高溫噴射物及火焰

熱失控電池的高溫噴射物及火焰蘊含著大量能量，也是引起熱失控擴展的重要因素之一。

LIU等［7］發現：電池單體燃燒放出的熱量大約是儲存能量的3倍，燃燒釋放出更多能量，產生火焰直接加熱周圍的電池，加速熱擴展發生。

胡棋威［3］研究了封閉環境下的熱擴展，結果發現由于封閉環境熱量難以散發到環境中，火焰的灼燒和高溫噴射物有可能使熱失控電池的非相鄰電池先發生熱失控。

還有其他學者研究同時證明：由熱失控電池噴射出的高溫物質是周圍電池引發熱失控重要因素，促進了熱失控擴展的發生［1-2，8］。

2 熱失控擴展防護措施

通過對熱失控擴展影響因素的分析，熱失控擴展的防護要在阻止電池之間的熱傳遞、促進熱失控與環境溫度的交換、降低電池溫度3個方面進行。

2.1 熱阻隔技術

熱阻隔技術是使用隔熱板將熱失控電池與未發生電池隔離開來，阻斷熱失控單體熱量、火焰和高溫噴射物的傳播。COLEMAN 等［9］、 KIZILEL 等［10］對圓柱體電池模組的研究中發現，增大電池之間的間隙可以減少熱傳遞，使更多的熱量傳遞到環境中，從而抑制了熱失控擴展的發生。

由于隔熱板填充在電池之間，有可能對熱失控電池的散熱產生不良影響，研究者通常采用預留一定間隙的方法來避免這種不良影響。MUNIZ［11］設計出一種在方形電池間使用的不完全封閉的隔熱層，這種隔離層能夠阻斷熱失控電池和周圍電池的熱傳導，同時不完全封閉的設計使電池之間有空氣對流，有利于散熱，避免局部溫度過高。CHEN等［12］通過模擬仿真探究了隔熱板厚度對熱失控的阻隔作用，研究結果發現：當隔熱板在一定厚度時，能夠在保證熱管正常工作的前提下，又可阻斷熱失控。LI［13］在熱失控電池周圍包裹一層導熱系數約為0.03 W／（m·K）隔熱防火材料，同時保持電池間2 mm的間距，大大減小了周圍電池受到的熱輻射，能夠有效阻止熱失控擴展。

2.2 增強冷卻技術

（1） 空氣散熱

空氣散熱利用風扇類設備制造空氣流動來帶走電池的熱量，這種散熱是當今最為常見、也是最簡易的方式。

MOHAMMADIAN和ZHANG［14］的研究表明：采用風扇散熱能夠有效降低電池的整體溫度及溫度均勻度，并且空氣流速越快電池最高溫度下降越明顯。

GIULIANO等［15］采用了一種采用金屬泡沫基換熱板材料的風冷系統，由于泡沫基材料增加了電池與空氣的換熱面積，有效增加了散熱效率。

部分汽車廠商采用了空調制冷與風冷系統雙管齊下的方式進行空氣散熱，如豐田Prius，大大增加了風冷散熱的效果。

（2） 液冷散熱

由于水的比熱容比較高，研究者發現液冷散熱相比風冷散熱溫度均勻性更好、安全性更高。XU等［16］設計了一種微通道液冷系統，結果表明：在微通道里液流速度為10 L／s的情況下，雖然不能阻止單體電池發生熱失控，但是能夠有效防止電池間的熱失控傳播。

ZHAO等［17］開發出一種基于聚丙烯酸鈉的柔性水凝膠，可以以任意形狀插入在鋰離子電池中間，增大與電池的接觸面積。這種凝膠含99%的水，具有高比熱容和高阻抗，同時加強了液冷效果和電池的安全性。測試表明采用這種柔性水凝膠系統的電池組能夠承受一系列高強度放電和異常放熱過程。

（3） 相變散熱

采用相變材料 （Phase Change Material，PCM）作為一種散熱方式最早由HALLAJ和SELMAN［18］提出。PCM具有較大的相變潛熱，當溫度達到PCM相變點時可吸收大量熱量，能夠維持周圍溫度，使電池溫度不能劇烈升高。因此相變材料能夠迅速將電池熱失控產生的熱量吸收，控制環境溫度，抑制熱失控的擴散。

相變材料的缺點是導熱性較差，不能及時將熱失控電池釋放出的熱量及時導出，制約了其散熱效果。因此，學者們對相變散熱進行了各種改進研究。KIZILEL等［19］利用石墨增加PCM的導熱性，在濫用條件下能夠有效阻止電池熱失控的發生。COLEMAN等［20］通過仿真驗證了相變材料與液冷散熱相結合的方式能夠有效抑制熱失控擴展。

2.3 閥泄通道設計

合理的閥泄通道設計能夠疏導火焰和高溫噴射物，避免直接加熱電池單體，阻止熱擴展。CHOW［21］和胡棋威［3］都為每個電池單體設計了閥泄通道，當電池發生熱失控時，高溫噴射物與火焰通過閥通道泄出，避免高溫噴射物與火焰對周圍電池產生影響，從而阻斷熱失控的傳播。

2.4 應急安全技術

應急安全技術是指當其他防護措施仍不能阻止熱失控擴展的發生時，通過主動噴射惰性氣體、制冷劑等，達到迅速降低電池溫度、熄滅火焰的目的。

胡棋威［3］研究了液氮噴淋的方式對熱失控擴展阻斷效果，結果表明：在合適的時機下，液氮產生的低溫惰性氣體能夠瞬間熄滅發生熱失控電池的火焰，同時給電池及高溫噴射物降溫，有效阻斷熱失控傳播。

PRILUTSKY和HERMANN［22］設計了裝有冷卻劑的噴淋管，噴淋管上的開閥點會因溫度的升高而開閥，當電池發生熱失控時，噴淋管上的開閥點會自動打開同時噴淋冷卻劑對電池進行降溫滅火。

BANDHAUER和FARMER［23］設計了一種裝有冷卻劑的高壓罐，當BMS發出熱失控信號時，高壓制冷劑通過設定的通道噴出，快速冷卻電池，阻止熱失控蔓延。

袁格年等［24］展示了一種主動滅火裝置，采用了一種清潔、無毒、可清理的滅火材料。當火災探測裝置感應到危險信號，滅火裝置將立刻啟動，及時滅火，阻止熱擴散。

3 結論

熱阻隔是控制熱失控擴展的重要方式之一，隔熱材料以及隔熱裝置的設計是未來主要的研究方向。冷卻技術是保證電池能在正常的工作溫度范圍的前提，現在大部分研究是關于電池系統在正常工況下的散熱，而熱失控發生時空氣散熱有可能引入更多氧氣促進熱失控電池的燃燒，因此液冷散熱、相變散熱、應急安全技術三者之間的耦合使用會更有前景。鋰離子動力電池的熱失控擴展防護是一個系統性工程，對電池組安全防護設計的同時要考慮穩定性、經濟性、復雜性、實用性。目前有關熱失控擴展防護的研究大多是一些簡化的試驗和模擬仿真，應綜合電池模組設計、散熱系統管理、安全設計等方面開展進一步的研究工作。