鉅大LARGE | 點擊量：621次 | 2022年09月02日
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
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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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。
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。
