【干貨】動力鋰電池系統(tǒng)安全性問題之擴展

在前兩文中，我們對鋰動力電池近些年的安全事故進行了回顧與分析，并對安全問題的“演變”和“觸發(fā)”層次進行了分析，這里我們繼續(xù)與大家分析安全事故最后一個層次”擴展“的機理。

4.鋰動力電池安全事故擴展

熱失控觸發(fā)后，局部單體熱失控后釋放的熱量向周圍傳播，將可能加熱周圍電池并造成周圍電池的熱失控，也稱之為熱失控在電池組內的“擴展”。單體電池熱失控所釋放的能量是有限的，但是如果發(fā)生鏈式反應造成熱失控的擴展，整個電池組的圖6 事故觸發(fā)的分類 能量通過熱失控釋放出來，將會造成極大的危害。

圖4、圖5 所示的25 A·h 三元鋰離子電池（具有約0.1kW·h 的電能）熱失控時釋放出的能量約為630 kJ，相當于0.15 kg TNT當量。對于一個具有60 kW·h 的純電動車的動力電池系統(tǒng)而言，如果所有單體由于熱失控擴展而釋放出全部能量，將會相當于釋放出90 kg TNT當量的能量。也就是說，熱失控擴展一旦發(fā)生，造成的危害將會很大。因此，人們需要防范熱失控擴展的發(fā)生，把熱失控局限于部分單體。

熱失控擴展的機理

從能量守恒的角度而言，當熱失控單體的周圍電池受到的熱失控擴展造成的加熱功率大于其本身的散熱功率時，受到加熱的周圍電池的溫度就會升高，繼而發(fā)生熱失控觸發(fā)。如圖7（a）所示的方形電池模塊內，熱失控擴展過程中的熱量傳遞有3條可能的主要路徑

1）相鄰電池殼體之間的導熱；

2）通過電池極柱的導熱；

3）單體電池起火對周圍電池的炙烤。

殼體導熱與極柱導熱的兩條路徑主要作用于相鄰電池之間，容易分析與控制。

對于方形電池而言，在殼體與殼體之間接觸良好的情況下，通過殼體的導熱要遠大于極柱的導熱。而對于圓柱形電池模塊而言，如圖7（b）所示，單體與單體之間的傳熱還可能需要考慮熱輻射的影響。

而起火炙烤既可以作用于相鄰電池，也可以作用于周圍的電池系統(tǒng)附件，評估其對于電池系統(tǒng)造成的危害會更加復雜與困難。有研究表明，電池起火燃燒放出的熱量要高于不起火時單純熱失控放出的熱量。發(fā)生起火后，火焰一般附著在熱失控電池閥體周圍。同時，由于火焰的外焰溫度最高，因此閥體開啟方向上的電池及附件受到的加熱最為劇烈。

另外，從設計角度看，電池系統(tǒng)本身具有一定的密閉性，熱失控產(chǎn)生的高溫氣體來不及擴散，也可能會加熱周圍的電池。

防范熱失控擴展與電池系統(tǒng)設計的矛盾

根據(jù)熱失控擴展的機理，可以有針對性地設計防范熱失控擴展的方案。

首先，需要防止火焰的發(fā)生。可以通過閥體噴射方向的設計，來引導火焰的生成方向；也可以加入滅火劑來進行滅火。當然，動力電池系統(tǒng)通過了安全性測試標準，火焰發(fā)生的概率已經(jīng)得到降低；同時，動力電池系統(tǒng)密封性良好使電池系統(tǒng)內部氧氣含量不足，也不利于火焰的生成與發(fā)展。

其次，要考慮高溫氣體擴散對電池系統(tǒng)其他部件的影響。部分電池已經(jīng)具有能夠及時排出高溫氣體的系統(tǒng)。

同時，要適當阻隔電池之間的傳熱路徑，如在單體電池之間設置隔熱層。需要注意的是，在熱管理中，電池殼體間可能預留有空氣空隙以供風冷，并將相鄰電池隔開。但是在熱失控擴展過程中，熱失控電池膨脹，空氣空隙將因為電池的膨脹而消失。此時，電池與電池之間的傳熱仍然是快速導熱，用單純預留空氣空隙的方法防范熱失控擴展是行不通的。

另外，可以通過在單體熱失控觸發(fā)之后，增強電池系統(tǒng)內部的散熱；將故障電池周圍的電池進行放電；在電池之間填充相變材料吸收熱量等方法來抑制熱失控的擴展。

然而，防范熱失控擴展的設計與電池系統(tǒng)的其他功能設計存在一定的矛盾。阻隔傳熱路徑的方法可能造成電池組內部溫度不均勻程度的加劇，這與電池組熱管理設計中，溫度一致性的設計目標相矛盾。另外，增加滅火、排氣、隔熱等措施，均會降低電池系統(tǒng)比能量，增加電池系統(tǒng)的設計成本。

如何合理地配置安全性措施，以防范熱失控擴展的發(fā)生，同時考慮電池系統(tǒng)性能指標和設計成本，是電池系統(tǒng)安全性設計的重要議題之一。

動力電池系統(tǒng)安全性問題主要分為3個層次，即“演變”、“觸發(fā)”與“擴展”。動力電池安全性事故發(fā)生之前，應通過系統(tǒng)算法對安全事故進行預警。熱失控觸發(fā)發(fā)生后，應防止熱失控擴展的發(fā)生。熱失控擴展過程機理的進一步認識有助于優(yōu)化設計方案，降低安全性事故造成的損害。進一步深入研究安全性問題各個層次的機理及其演變過程，提出有效的事故防范措施和安全性監(jiān)控措施，是下一步研究的工作重點。