FSEC賽車動力電池熱蔓延防護研究

李書華，吳釔陶，吳宗揚，貝 璟，汪永嘉，張代勝

(合肥工業大學 汽車與交通工程學院， 合肥 230009)

0 引言

在電動汽車規模效益的推動下，動力電池市場規模高速增長，截止2021年底，全球動力電池裝機量約296.8 GWh，較2020年增加了102.18%[1]。作為一種先進的儲能媒介，鋰離子電池有著極高的能量密度[2]，但這也帶來了很大的安全隱患，如熱失控問題[3]。熱濫用、電濫用和機械濫用[4]都可能會引發熱失控，一旦熱失控在電池組內被觸發，電芯會迅速釋放出大量熱量，這往往會產生多米諾骨牌效應，導致周圍相鄰的電芯被觸發熱失控，最終導致嚴重的事故[5-6]。

中國大學生電動方程式汽車大賽動態賽事異常激烈，比賽過程中賽車放電功率較大，電池內部溫度變化比普通乘用車更劇烈。賽車座艙狹小擁擠，一旦發生熱失控事故，熱量會迅速蔓延至全車[7]，大大增加車手的逃生難度。因此，探究熱失控蔓延機制，研究針對FSEC賽車電池包的熱阻隔方法具有重要意義。

國內外學者對動力電池的熱失控行為開展了大量的研究，并取得良好的進展。常見的電池熱管理系統有風冷、液冷[8]以及利用相變材料的相變熱特性起到蓄熱作用的冷卻方式[9]。空氣冷卻系統的散熱能力較液冷系統有相當的局限性，現有的針對電池熱失控的熱管理方法的研究，主要基于液冷，并輔以相應的隔熱蓄熱材料，如石墨烯材料[10]，相變材料。Wang等[11]設計了一種將熱管和冷卻水結合熱管理系統，該系統對熱失控的傳播起到了良好的控制作用。Xu等[4]提出一種基于迷你流道的液冷熱管理系統，該系統雖然不能阻止單個電芯熱失控發生，但是能在液體大流速下阻止相鄰電芯的熱蔓延。Wilke等[12]設計了一種基于相變材料的被動式熱管理系統，該系統在電芯發生熱失控的情況下，能很好地控制熱失控傳播，將相鄰的電池保持在安全的溫度范圍。

FSEC賽車動力電池箱內部構造緊湊，可改造的空間極小，能定制化形狀的相變材料可用于填充電芯間的空隙，配合冷卻板能儲存電芯熱失控釋放的大量熱量，并延緩甚至阻斷熱量向相鄰電芯蔓延，延長FSEC電池組完全熱失控的時間，給賽車手爭取足夠的逃生時間，提高FSEC賽車的安全性能。

本文以合肥工業大學FSEC賽車動力電池包為研究對象，在電芯之間加入基于相變材料的蓄熱薄片，采用數值仿真的方式研究其熱防護特性，并分析不同因素對該蓄熱薄片熱防護效果的影響。

1 模型描述

本文研究的FSEC動力電池模組由12個電芯組成，采用的連接方式為3s4p，如圖1所示，電芯規格參數見表1。

1.頂部支架; 2.隔板; 3.電芯; 4.蓄熱翅片; 5.底部支架; 6.液冷板

表1 電芯規格參數

1.1 幾何描述

圖1(a)為本文提出的一種基于無機水合鹽的高溫相變材料[13]蓄熱翅片結構，用于抑制電池模組熱蔓延。蓄熱翅片呈U型槽結構，厚度為1 mm，高度與電芯等高，可從3面包裹電芯，電池模組底部為一液冷板6。

選取某大學生電動方程式賽車軟包電池作為研究對象，單體電芯3容量為7 Ah，尺寸為122.5 mm×42 mm×10.7 mm。為闡述方便，對12個電芯從(1，1)至(3，4)進行命名，如圖1(c)所示。數值模型中所涉及材料的熱物性參數見表2。

表2 熱物性參數

1.2 電池熱失控模型

電池的溫度T隨時間t變化的公式為式(1)[14]。

(1)

(2)

電池內部的凈產熱功率Q(t)可以通過式(3)計算，式中：Qchem(t)為化學反應產熱功率，Qele(t)示電能釋放時的產熱功率，Qh(t)為電芯與周圍環境的熱交換功率。

Q(t)=Qchem(t)+Qele(t)-Qh(t)

(3)

化學反應產熱功率Qchem(t)由5個部分組成[14]，分別為SEI膜分解時的產熱功率QSEI(t)，失去SEI膜后，負極嵌入鋰與電解質反應時的產熱功率Qne(t)，隔膜熔化時的吸熱功率Qsep(t)，電解質分解時的產熱功率Qele(t)，正極材料分解時的產熱功率Qpe，即式(4)。

Qchem(t)=QSEI(t)+Qne(t)+Qsep(t)

+Qele(t)+Qpe

(4)

其中，SEI膜分解時的產熱功率QSEI(t)由式(5)(6)計算。

(5)

(6)

負極產熱功率Qne(t)由式(7)(8)計算。

(7)

(8)

隔膜熔化時的吸熱功率Qsep(t)由式(9)(10)計算。

(9)

(10)

正極材料分解時的產熱功率Qpe(t)由式(11)(12)計算。

(11)

(12)

式中，Qpe(t)由Qpe,1(t)和Qpe,2(t)組成，式(11)(12)中的x為1、2。

電解質分解時的產熱功率Qele(t)由式(13)(14)計算得：

(13)

(14)

式(5)—(14)中涉及的化學反應生成焓Hx，反應活化能Ea,x，前向因子Ax，反應物質量mx，反應物歸一化濃度初始量c0,x見表3[14]。

表3 熱失控副反應參數

1.3 邊界條件

利用COMSOL Multiphysics軟件建立電池模組熱失控模型，所有電芯SOC為100%，電芯(2，2)模擬加熱觸發熱失控。環境溫度設置為20 ℃，對流換熱系數h為17 W/(m2·K)，加熱功率為100 W，直到電芯觸發熱失控。

對幾何模型進行網格無關性驗證及時間步無關性驗證得，在網格數從481 793增加到862 981，電芯的最高溫度相差不到1%，時間步從0.5 s縮短到0.1 s，電芯的最高溫度相差不到0.7%，為節省計算資源，采用網格數481 793，時間步0.5 s計算。

1.4 數值仿真模型驗證

將本文單體電芯仿真結果與Lai等[15]實驗和仿真結果進行對比，對比結果見圖2。在相同的熱失控觸發條件下，Lai等實驗中電芯內部最高溫度為883 ℃，熱失控觸發時間為7 626 s，數值仿真中電芯內部最高溫度為936 ℃，熱失控觸發時間為 7 358 s；本文數值仿真中電芯內部最高溫度為 917 ℃，熱失控觸發時間為7 480 s。本文數值仿真電池溫度曲線與Lai等實驗數據變化趨勢一致，且最高溫度和電池觸發熱失控時間的絕對、相對誤差均更小，表明本文仿真模型能夠準確反映出電池在加熱條件下發生熱失控溫度的變化情況。

圖2 本文仿真結果與文獻[15]結果

2 結果與討論

為定量評價蓄熱翅片的熱防護性能，本文提出評價指標：熱失控延緩時間Δt，電芯最高溫度Tx,max。其中Δt=t1-t2，t1為未采取熱防護措施時電芯(2，1)與電芯(2，2)熱失控的時間間隔，t2為采取熱防護措施時電芯(2，1)與電芯(2，2)熱失控的時間間隔，x為電芯號。

2.1 無熱防護電池模組熱失控分析

對電芯(2，2)，一面以100 W功率加熱進行仿真計算，得到電池模組中各電芯的溫度變化如圖3所示。在295 s時，電芯溫度達到250 ℃時并觸發熱失控，溫度在短時間內劇增至800 ℃左右。盡管電芯(2，2)觸發熱失控后，通過與液冷板的熱交換可以散失部分熱量，但液冷板只能帶走電芯正常工作時的產熱量，維持電池模組的溫度在最佳范圍內。電芯(2，2)熱失控產生的大量熱量迅速蔓延到相鄰的電芯，電芯(2，1)由于與熱失控源最接近，正對面積最大，故其在580 s時最先被加熱而觸發熱失控，電芯溫度在短時間升高至860 ℃，電芯(2，2)和電芯(2，1)發生熱失控的時間間隔t1為285 s。電芯(2，1)發生熱失控之后，由于熱量堆積以及熱蔓延[16]，其余10個電芯類似多米諾骨牌效應相繼發生熱失控。由于電芯(3，1)至芯(3，4)與電芯(1，1)至電芯(1，4)為對稱分布，兩者溫度曲線幾乎重合，為使溫度曲線圖簡潔明了，故省去電芯(3，1)至電芯(3，4)的溫度曲線。無熱防護電池模組溫度曲線見圖3。

圖3 無熱防護電池模組溫度曲線

2.2 蓄熱翅片防護效果分析

電池模組加裝蓄熱翅片后，與基礎案例相同，對電芯(2，2)一面以100 W功率加熱進行仿真計算，得到電池模組中各電芯的溫度曲線如圖4所示。在365 s時，電芯(2，2)溫度升高至250 ℃以上并觸發熱失控，溫度迅速升高至716 ℃，觸發熱失控的時間較無熱防護方案延長了70 s，且電芯的最高溫度降低了84 ℃。電芯(2，1)在994 s時溫度達到250 ℃以上并觸發熱失控，溫度迅速升高至805 ℃，電芯(2，2)和電芯(2，1)發生熱失控的時間間隔t2為671 s，該時間間隔較無熱防護措施延長了Δt=386 s，這一現象說明蓄熱翅片雖然延緩了熱量蔓延，但無法阻止電芯(2，1)被觸發熱失控。

值得注意的是，蓄熱翅片在電芯(2，2)和電芯(2，1)熱失控時儲存了大量熱量，并延緩了熱量蔓延，大大增加了液冷板在其余電芯發生熱失控前帶走的熱量，減少了熱量堆積，使得電芯(2，3)在2 487 s達到最高138 ℃，并未達到熱失控的觸發溫度，熱失控的多米諾骨牌效應被蓄熱翅片中斷。該熱蔓延過程由圖5可以直觀地看出。該現象說明，裝有蓄熱翅片的電池模組在其中一個電芯發生熱失控的情況下，熱失控僅蔓延到一個電芯，其他電芯均未發生熱失控，因此，蓄熱翅片可以起到一定的熱防護作用，對于電池包安全設計具有重要參考意義。

圖4 加裝蓄熱翅片后電池模組溫度曲線

圖5 電池模組熱失控溫度分布演化過程

2.3 不同因素對熱蔓延防護的影響

為達到蓄熱翅片熱防護效果的最優化，現對蓄熱翅片的厚度及覆蓋面積2個因素進行研究。

2.3.1蓄熱翅片厚度的影響

前文的基礎案例中，蓄熱翅片的厚度設置為1 mm，電池模組中電芯的前后間距為2 mm，左右間隔為4 mm，故蓄熱翅片最大厚度為2 mm，為了研究不同蓄熱翅片厚度對電池模組熱失控蔓延防護的影響，選取1、1.1、1.2、1.3、…、2 mm，共11個厚度進行分析，其他邊界條件設置與前文一致。

仿真分析得到Δt和T(2,1),max隨蓄熱翅片厚度的變化曲線如圖6所示?？梢钥闯?，電芯(2，1)的最高溫度T(2,1),max隨著蓄熱翅片厚度的增加而持續降低，這是因為蓄熱翅片厚度的增加，使得蓄熱翅片的熱容量增加，配合液冷板耗散更多熱量，使電芯最高溫度下降，但即使蓄熱翅片的厚度增大到2 mm，也無法阻止電芯(2，1)被加熱到250 ℃以上并發生熱失控。Δt隨著蓄熱翅片厚度的增加先增大后減小，在蓄熱翅片厚度為1.4 mm的時候達到最大438 s，當蓄熱翅片厚度為2 mm時，Δt為-133 s，這意味著加裝蓄熱翅片反而加速了熱蔓延的傳播，該現象符合COMAN的研究結果[17]，隨著蓄熱翅片的加厚，電芯之間的氣隙減小，當厚度達到一定程度時，蓄熱翅片起到了電芯之間溫度傳導的作用，從而加速了熱蔓延。因此，在應用蓄熱翅片的過程中，可以選取1～1.5 mm厚度的蓄熱翅片。

圖6 Δt和T(2,1),max隨蓄熱翅片厚度的變化曲線

2.3.2蓄熱翅片覆蓋面積的影響

基礎案例中，蓄熱翅片的高度與電芯等高，即100%覆蓋電芯，現選取90%、80%、70%、60%、50%的覆蓋面積來研究蓄熱翅片覆蓋面積對電池模組熱失控蔓延防護的影響，翅片覆蓋的位置見圖7。

圖7 蓄熱翅片覆蓋位置示意圖

仿真分析得到Δt和T(2,1),max隨蓄熱翅片覆蓋面積的變化曲線如圖8所示?？梢钥闯?，隨著覆蓋面積的減少，電芯(2，1)的最高溫度T(2,1),max持續上升，這是因為蓄熱翅片總熱容隨著蓄熱翅片的覆蓋面積減少而減少，其蓄熱作用隨著蓄熱翅片的覆蓋面積減少而減弱，當覆蓋面積為50%時，最高溫度達到843 ℃，與不加裝蓄熱翅片時的最高溫度幾乎相同。而Δt隨著覆蓋面積的減少呈現先增大后減小的趨勢，在覆蓋面積為90%時達到最大，為403 s，這是因為蓄熱翅片覆蓋面積減少的同時，電芯之間的氣隙增大，這對熱失控蔓延過程中的熱量傳遞會起到一定的阻礙作用[17]，但隨著蓄熱翅片覆蓋面積的持續減少，蓄熱翅片總熱容下降，液冷板來不及排出電芯(2，2)熱失控的熱量，故又逐漸縮短。值得注意的是，當覆蓋面積減少到70%的時候，電芯(2，3)發生了熱失控，繼而引發多米諾骨牌效應，整個電池模組均被觸發熱失控，這說明蓄熱翅片覆蓋面積小于70%不可取。

圖8 Δt和T(2,1),max隨蓄熱翅片覆蓋面積的變化曲線

3 結論

1) 當單個電芯發生熱失控時，該系統能有效延緩和阻斷電池模組的熱蔓延。

2) 對蓄熱翅片厚度的分析表明，1.4 mm的厚度能最大程度延緩熱失控傳播，過大的厚度會導致電芯間氣隙減小而加速熱失控傳播。

3) 對不同蓄熱翅片覆蓋面積的研究發現，覆蓋面積為90%時能最大程度延緩熱失控傳播，而覆蓋面積小于70%時，系統無法阻止熱失控的傳播。