不同荷電狀態(tài)下鋰電池的熱失控實驗研究

潘公宇，薛 磊

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，能源需求在不斷增加，傳統(tǒng)燃油車保有量激增，汽車尾氣導(dǎo)致的環(huán)境污染日益嚴(yán)重。為了保護(hù)環(huán)境和持續(xù)發(fā)展，電動汽車正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車，成為了人們主要出行工具。美國、德國、日本等汽車產(chǎn)業(yè)強國，陸續(xù)加入了電動汽車及相關(guān)技術(shù)研發(fā)行列。

然而，隨著電動車數(shù)量越來越多，配置的電池組容量越來越大，因電池組自身安全問題所導(dǎo)致危險事故頻發(fā)。從2014 年開始，中國、加拿大、美國、挪威等國家相繼發(fā)生多起電動汽車起火自燃事件[1]。

對安全的關(guān)注，使學(xué)者們對鋰電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象及機(jī)理研究越來深入，熱濫用觸發(fā)鋰電池?zé)崾Э匮芯砍晒Ｒ妶蟮馈９萚2]通過對不同荷電狀態(tài)下的鋰離子電池開展熱失控實驗，確定鋰離子電池在不同荷電狀態(tài)下熱失控釋放氣體特性，結(jié)果顯示不同荷電狀態(tài)對鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫艢怏w量有顯著影響。王賀武等[3]用荷電狀態(tài)50%左右的鋰電池在惰性保護(hù)氣體環(huán)境中進(jìn)行熱失控實驗，失控后出現(xiàn)兩次劇烈噴射，噴出物含有氣-液-固三相共存的特征。孫均利等[4]通過對18650 磷酸鐵鋰電池進(jìn)行木屑燃燒實驗，滿電電池達(dá)到高溫時會出現(xiàn)二次噴射，正極材料殘留物的晶型發(fā)生重大改變，且有其他物質(zhì)生成。卞昶等[5]通過對不同荷電狀態(tài)的鋰電池進(jìn)行針刺、加熱、火燒，分析了熱失控程度及殘留物痕跡特性，認(rèn)為電池荷電狀態(tài)越高，電池?zé)崾Э睾蠡瘜W(xué)反應(yīng)越劇烈，痕跡越明顯，且誘發(fā)條件中以火燒對電池破壞性最大。劉全義等[6]通過對不同初始壓力下滿荷電態(tài)鋰電池進(jìn)行燃爆實驗，發(fā)現(xiàn)高初始壓力下鋰電池更容易被燃爆引發(fā)熱失控。田相軍等[7]通過對三種不同種類的鋰電池分別進(jìn)行機(jī)械、電和熱的極端濫用，來研究鋰電池?zé)岱€(wěn)定性，其觀點認(rèn)為不同種類鋰電池溫度、電壓變化特點和規(guī)律均有所差異。SLA 等[8]對低荷電態(tài)下的高比能量密度鋰電池進(jìn)行了熱失控實驗，對正極、負(fù)極和隔膜的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)論是在低荷電狀態(tài)下隔膜的相變反應(yīng)是影響電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵因素。BUGRYNIEC 等[9]對磷酸鐵鋰電池在180 和220 ℃條件下進(jìn)行了對流烘箱實驗，對比鋰鈷氧化物電池?zé)崾Э乇憩F(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了磷酸鐵鋰電池的熱失控表現(xiàn)明顯更穩(wěn)定。

上述對鋰電池?zé)崾Э氐难芯浚嗷跐M荷電狀態(tài)的單體電池進(jìn)行，裸露的單體電池直接在常溫環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)實驗。目前，對新能源汽車電池模組及電池包水平的熱失控研究還較少，即使有研究，行駛中汽車電池包不同荷電狀態(tài)對熱失控影響考慮的也較少。畢竟新能源汽車電池包為提高安全性，已配置了電池包外殼、散熱裝置，使用了不同隔熱材料等，電池包的熱失控現(xiàn)象及機(jī)理與裸露單體電池自然會有不同。

本文利用整包仿實況實驗平臺對三種荷電狀態(tài)(95%、50%和20%)下的鋰電池組，進(jìn)行加熱觸發(fā)熱失控實驗，實驗對象添加了電池包外殼、水冷散熱裝置、隔熱材料，仿真實環(huán)境條件，探求不同荷電狀態(tài)下鋰電池組熱失控觸發(fā)情況，觀察處于熱失控過程中的電池與電池之間熱量傳遞情況，燃爆蔓延情況。通過分析現(xiàn)象和探究機(jī)理，為采取降低鋰電池?zé)崾Э乇ǖ拇胧┨峁?shù)據(jù)支撐，為鋰電池安全應(yīng)用提供經(jīng)驗。

1 實驗平臺及實驗方法設(shè)計

為研究整車環(huán)境下鋰離子電池?zé)崾Э靥匦裕趥鹘y(tǒng)實驗室鋰電池?zé)崾Э仄脚_上進(jìn)行改進(jìn)，搭建了一個整包仿實況實驗平臺。該平臺含有1 800 mm×560 mm×125 mm 的電池包外殼，外殼四周裝有泄壓閥。為保證外殼主體的氣密性，將對外殼進(jìn)行上蓋封裝。水冷設(shè)備為電池包提供水冷降溫，以便模擬整車水冷系統(tǒng)正常運行的實際工況。數(shù)據(jù)采集器用來采集電池包的溫度和電壓，記錄觸發(fā)熱失控電池及相鄰電池實驗過程溫度和電壓變化。在目標(biāo)觸發(fā)電池表面安裝加熱片用于給電池升溫，外部使用交流穩(wěn)壓電源給加熱片提供穩(wěn)定的工作條件，攝像系統(tǒng)與上位機(jī)組成監(jiān)控系統(tǒng)，實時記錄熱失控發(fā)生全過程，并將畫面及數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)。電池包中的單體電池之間用隔熱片隔開。實驗平臺見圖1。

圖1 實驗平臺

電池包采用三元鋰離子電池，容量281 Ah，充電截至電壓4.3 V，電池模組成組電路為1 并4 串。單體電池質(zhì)量4 kg，外形尺寸為250 mm×67 mm×112 mm。使用絕緣材料制成的可耐高溫的隔熱片將單體隔開，在模組兩側(cè)單體外立面，分別貼放一片隔熱片。

電池組單體電池上貼裝K 型熱電偶，熱電偶電壓信號線、電池和模組電壓信號線引至數(shù)據(jù)采集器。電偶測試溫度范圍是-40～105 ℃。數(shù)據(jù)采集器為HOKI 的LR8431-30，采樣周期500 ms。水冷設(shè)備采用凌工LQMC 比例閥式高低溫冷卻循環(huán)機(jī)，可在25～120 ℃范圍內(nèi)設(shè)定某一溫度進(jìn)行循環(huán)冷卻，溫度控制精度為1 ℃。實驗時，流量設(shè)置為15 L/min，冷卻流體溫度設(shè)置為30 ℃，模擬汽車實況運行時電池包環(huán)境溫度。

電源采用UNI-T 交流穩(wěn)壓電源，電壓、電流和功率可高精度設(shè)定調(diào)整，可給加熱片供電。電池模組見圖2。四塊規(guī)格相同單體電池按圖所示順序擺放好，設(shè)置電池1 為熱失控觸發(fā)電池。

圖2 電池模組布置

將電池模組置于實驗平臺中的電池包內(nèi)，替換其中一個模組。按圖2所示，在電池1加熱面處貼裝加熱片，在四只電池相互接觸面的中心位置布置溫感線，電池電極端焊接電壓信號線。加熱片通電后，數(shù)據(jù)采集儀實時監(jiān)測電池溫度及電壓。

加熱持續(xù)一段時間后，待出現(xiàn)明顯的副反應(yīng)氣體及爆炸聲時斷開電源，并繼續(xù)觀察，直至實驗結(jié)束。

2 荷電狀態(tài)對鋰電池模組熱失控特性影響

2.1 熱失控各階段行為特性

通過分析實驗數(shù)據(jù)，不同SOC狀態(tài)下，鋰電池模組熱失控呈現(xiàn)規(guī)律大致相同。以SOC為95%為例，熱失控過程可分為以下幾個階段：

第一階段，電池被加熱后，電池溫度緩慢升高，電池包表面無明顯變化；

第二階段，持續(xù)加熱464 s 時，電池1 溫度399.1 ℃，電壓有小幅度下降。在模組開路時，電壓下降表明電池內(nèi)部已開始有物質(zhì)變化；

第三階段，持續(xù)加熱505 s 時，電池1 溫度515.4 ℃，電壓由3.795 V 驟降至0.174 5 V，電池包內(nèi)發(fā)生巨響，上蓋震動，電池1 對應(yīng)的上蓋位置泄壓閥釋放出濃煙；

第四階段，煙氣噴發(fā)慢慢增強，電池1(觸發(fā)電池)和其相鄰電池對應(yīng)上蓋位置的泄壓閥不斷噴發(fā)煙氣，電池溫度不斷爬升；

第五階段，煙氣噴發(fā)量逐漸變少，電池溫度逐漸降低，熱失控過程結(jié)束。

2.2 電池溫度與電壓分析

根據(jù)熱失控觸發(fā)判定條件，SOC為95%和50%的電池均會發(fā)生熱失控。SOC為20%電池未發(fā)生熱失控。以加熱開始為計時起點，熱失控觸發(fā)后，SOC為90%和50%電池的電壓驟降所經(jīng)歷的加熱時間相差無幾。但比SOC為20%的電池，這個過程來的更快些。荷電狀態(tài)(SOC)越高，電池溫升速率越大，熱失控后的峰值溫度也越高。不同荷電狀態(tài)下電池1 溫度變化和電壓變化見圖3 至圖5。

圖3 95%SOC下電池1溫度、電壓變化曲線

圖4 50%SOC下電池1溫度、電壓變化曲線

圖5 20%SOC下電池1溫度、電壓變化曲線

由圖3 至圖5 可見，電池1 溫度和電壓的變化可以分為幾個階段。加熱開始和溫度爬升期間，電壓幾乎保持不變；熱失控觸發(fā)，溫度急劇升高，電壓驟降；消退階段，電池溫度達(dá)到峰值后慢慢開始下降，電壓逐漸降低到0 V，直至熱失控結(jié)束。

不同荷電狀態(tài)下電池2溫度和電壓變化見圖6、圖7和圖8。

圖6 95%SOC下電池2溫度、電壓變化曲線

圖7 50%SOC下電池2溫度、電壓變化曲線

圖8 20%SOC下電池2溫度、電壓變化曲線

由圖6 至圖8 可見，水冷液循環(huán)和隔熱片同時工作期間，與電池1 相鄰的電池2，其溫度因熱量傳導(dǎo)變化較為明顯，相比于電池3 和電池4，變化更大些，但電池2 并沒有發(fā)生熱失控。電池3 和電池4 的電壓、溫度幾乎與初始狀態(tài)一致。

2.3 熱量傳導(dǎo)

實際應(yīng)用的電池，往往成組使用。隨著觸發(fā)電池溫度慢慢升高，升高到某個數(shù)值時，與之相鄰電池也會因熱量傳導(dǎo)，其溫度會升高。而相鄰電池溫度升高到一定值時，與該電池相鄰的電池也會發(fā)生熱量傳導(dǎo)并開始升溫。熱量傳導(dǎo)和溫升情況可以按照距離目標(biāo)熱失控電池遠(yuǎn)近依次發(fā)生，形成溫度梯度。實驗中電池因熱量傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度梯度變化情況見圖9 至圖11。

圖9 95%SOC下電池溫度傳遞變化

圖10 50%SOC下電池溫度傳遞變化

圖11 20%SOC下電池溫度傳遞變化

由圖9 至圖11 可見，電池荷電狀態(tài)越高，電池與電池之間的熱量傳遞效率越高，其臨近電池溫升速率越快，達(dá)到峰值溫度越高。SOC為95%時，與電池1 相鄰的電池2，其最高溫度達(dá)到200 ℃左右。SOC為50%時，能達(dá)到100 ℃左右。SOC為20%時，能達(dá)到70 ℃左右。

2.4 熱蔓延

電動汽車電池包中某一塊電池發(fā)生熱失控，熱量傳導(dǎo)與電池模組結(jié)構(gòu)相關(guān)，會按照一定規(guī)律進(jìn)行熱蔓延。總結(jié)熱蔓延特點，可以為設(shè)計師設(shè)計防止熱失控擴(kuò)散措施提供參考。

在不同SOC狀態(tài)下進(jìn)行熱失控實驗，電池包上蓋不同位置布置了11 個溫度傳感器，各個位置的溫度曲線見圖12 至圖14。

圖12 95%SOC下上蓋不同位置的溫度變化曲線

圖13 50%SOC下上蓋不同位置的溫度變化曲線

圖14 20%SOC下上蓋不同位置的溫度變化曲線

由圖12 至圖14 可見，不同SOC情況下，電池包內(nèi)部熱蔓延特點不同。在上蓋布置11 個溫度測點中，每個測點溫度的溫升速率不同。SOC為95%時，溫升速率由高低到底的測點順序是3、2、4、11、10、1、5、9、6、7 和8；SOC為50%時，順序為8、7、9、1、6、11、5、10、4、3、2。SOC為20%時，順序為7、5、4、3、11、9、6、8、2、1、10。

這現(xiàn)象說明，當(dāng)目標(biāo)熱失控電池被加熱到一定程度后，電池包內(nèi)部熱量蔓延，一般是以觸發(fā)電池位置為起始點向四周散開，與電池SOC狀態(tài)無關(guān)。熱蔓延溫度測點位置示意圖見圖15。

圖15 熱蔓延溫度測點位置示意圖

以SOC為95%的實驗?zāi)＝M為例，當(dāng)模組在圖示指定位置進(jìn)行觸發(fā)后，熱量首先向與之臨近的a 區(qū)域蔓延，接著會向橫向位置的b 區(qū)域和與水冷機(jī)接口處相近的c 區(qū)域蔓延，然后會向縱向位置的d 區(qū)域蔓延，最后會向著最遠(yuǎn)距離的e 區(qū)域蔓延。熱量會先由觸發(fā)點橫向向臨近區(qū)域蔓延，再向著縱向臨近區(qū)域蔓延，最終向距離最遠(yuǎn)的對角區(qū)域蔓延。

3 結(jié)論

對三組不同荷電狀態(tài)鋰電池模組進(jìn)行熱濫用觸發(fā)熱失控實驗，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后認(rèn)為，SOC為95%、50%的鋰電池模組被加熱后會觸發(fā)熱失控，最高溫度分別為700 和500 ℃，但SOC為20%鋰電池模組不會因為加熱觸發(fā)熱失控。熱失控時，與熱失控目標(biāo)電池最近電池，獲取熱量最多，溫升快。當(dāng)增加隔熱片和水冷液循環(huán)措施時，電池模組不會觸發(fā)熱失控。目標(biāo)電池?zé)崾Э睾螅姵匕鼉?nèi)熱量由觸發(fā)電池的位置先橫向蔓延，再縱向蔓延，最后向遠(yuǎn)端蔓延。

根據(jù)實驗結(jié)果，建議鋰電池在高溫環(huán)境中運輸和使用時，將電池荷電容量降低，不宜高于50%，20%以下較為安全。電池模組置于電池包內(nèi)時，應(yīng)安裝隔熱片，輔之以水冷散熱措施。電池包內(nèi)的電池模組橫向方向設(shè)置防火、隔火和降溫材料，以阻斷熱量的進(jìn)一步蔓延。