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電池整包熱失控是怎么發生的通過實驗看看里面的傳導機制

鉅大LARGE  |  點擊量:621次  |  2022年09月02日  

研究整包熱失控實驗是要較高成本的,整包樣件的費用、配置探測電壓、溫度實驗設備都是一筆不菲的開支,特別是大容量電芯和模組樣件(淘寶上有些)還不太好買,所以很多研究者重要以1865021700的案例為主。最近有個很有意思的案例,是清華大學汽車安全和節能國家重點實驗室的ShangGao,在《ExperimentalStudyonModule-to-ModuleThermalRunaway-propagationinaBatterypack》一文里面披露了一個實驗包和部分實驗數據,今天我們來仔細看一看這個里面的數據和現象。


備注:我把文章里面的溫度和事件參數抽出來做了整理,可參見原文仔細讀一讀


1)實驗對象的參數和搭建


這個電池包是一項聯合研究,由車企所供應,整個配置為13kWh,成組為96S1p,采用8個VDA的pHEV2的模組,布置時采用雙層結構,上下兩層各4個模組。


這個測試的目的,是希望在底下的一層選一個激發單電芯熱失控模組,然后仔細分析評估左右和整包的熱失控的過程。如下圖所示,這里面加入了溫度傳感器,并且模組的壓力是變小了,只用外部的簡易固定裝置來處理。實際電池模組的壓力和約束,會在電芯膨脹的時候出現不小的影響,這里會有一個實驗搭建帶來的差異點。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

在這個pHEV的電池系統里面,所選擇的模組標記為DUT,我們觀察的對象是模組的左側模組和上層模組,而右側由于有一根梁做了一些物理上的隔斷,整體的蔓延過程相對慢一些。電池系統整個實驗過程可以分為,一開始重要是在選擇的DUT的模組內進行熱蔓延,持續時間大約40分鐘,然后在接下來的10分鐘左右,左側相鄰和上方的模組開始出現很快的熱蔓延,最后擴展為整個電池系統的燃燒。


2)單個模組內的熱失控


之前有研究者對此做了很多的工作,也對這個過程建立了比較詳細的模型和機理的分析,這里只是進一步描述一些現象。DUT模組內各個電芯熱失控的規律,我重新做了整理:黃色線是模組相鄰被激發電芯的溫度,灰色線是沒有熱失控前的溫度,藍色的線是電芯相繼出現熱失控的間隔時間。也就是說,實際在熱失控過程中一旦開閥以后,電池表面溫度在400°C到550°C之間,平均溫度495°C;電芯表面溫度在100°C到200°C之間,平均溫度144°C,會發生熱失控。


這里的模組里面每個電芯之間是加了隔熱材料的,如下所示,所以整體的結果是在60分鐘以后傳遞到第二個模組。


備注:這個表面溫度其實有些不準確,后面會分析到。

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標稱電壓:28.8V
標稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應用領域:勘探測繪、無人設備

3)相鄰模組的熱失控傳播


上方的第二個模組是在66分鐘以后出現連鎖的熱失控情況,第三個模組在68分鐘以后出現問題,而這一次在高溫烘烤下,模組的熱失控過程都在10分鐘完成了。如下圖所示,在一定條件下整個熱失控的過程是無序的,下方噴閥火焰直接對上方的水冷板進行了烘烤。


備注:我們可以看到環境溫度其實對模組內電芯熱失控有影響,而直接的火焰和煙氣假如處理不善,哪怕有水冷板最終的結果也會使得電芯熱失控。


假如感興趣,我們可以看到這個溫度點差異是有的,特別是有以下的一些考慮:


●相鄰模組:相鄰模組的速度,由于有模組間直接相連的母線排連接,使得這一組的電芯表面溫度很低時就直接開閥了,甚至溫度還沒到我們預期的溫度;


●雙層模組設計即使通過支架和水冷板隔開,假如噴閥過程沒有考慮過隔熱設計,這一個個電芯開閥的溫度就直接對著金屬支撐結構和水冷板噴火,最終的結果是吸收大量的熱量,并且很均勻,使得在表面溫度不高的情況下,也會很早開閥;


這個是抓取出來的溫度突變點,也就是電芯的表面熱失控之前的那一刻的溫度情況。總的來說,NCM111的耐溫性還是很好的,523要打折,811則更要打折了。所以實際上,我們假如想用模組的溫度傳感器抓住溫度的變化,有一些困難,設計的NTC在這個過程中由于煙氣的原因,要么響應不及時,要么那時候已經損壞了,要仔細考慮NTC在這種破壞性的條件下怎么處理,我覺得可行的辦法,可能是建立一些類似感溫線這樣的特殊選型的NTC來應對這個特殊溫度的采集,這個之前我也提過。


小結:


我們在這類37Ah(164Wh/kg且容量有限,并且是1p的使用)的經典的設計中通過合理的布局,是完全可以控制住整個熱失控蔓延的過程,但是我們發展的方向是追求能量密度,追求體積利用率,這就造成會失去足夠的間隙,失去足夠的緩沖空間,這里還是一個平衡,如何在一個范圍內使得電芯不蔓延。

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