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不同散热设计下钛酸锂电池热蔓延实验研究

2021-09-14 13:39:40·  来源：电动学堂  作者：袁德强  
　
文章来源：1.中车长春轨道客车股份有限公司2.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心3.中国民航信息网络股份有限公司在电池模组内，一支或几支电池热失控所
文章来源：1.中车长春轨道客车股份有限公司2.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心3.中国民航信息网络股份有限公司

在电池模组内，一支或几支电池热失控所产生的能量如不能尽快被热管理系统排出，则会影响到模组内的其他电池，引起热失控的连锁反应，即热蔓延，最终导致整个模组甚至是动力系统的崩溃。为探究锂离子电池热失控的触发原因及失控后的热蔓延表现，部分学者从机理角度入手，利用实验的方式对热失控及热蔓延的特征进行了研究。

文章以层叠式软包钛酸锂电池为实验对象，通过一系列实验确定了其热失控触发条件，并针对自然对流、表面液冷、极耳强迫风冷3种主流的热管理设计模组进行热蔓延实验研究，进而为钛酸锂电池模组散热设计提供参考。

1实验
选用某商用大容量钛酸锂电池为实验对象，其参数如表1所示。实验所用的充放电机为Series4000（输出电压0~5V，误差小于5‰），温度记录设备为LR8410-30及测量单元LR8511（温度范围-200~2000℃，最大分辨率0.01℃）。搭建的实验平台如图1所示。
由于相比于三元、磷酸铁锂电池，钛酸锂电池的能量密度低，为提高触发成功率，在针刺与外短路实验时将电池进行了不同程度的过充，提高了失控触发时电池贮存的电化学势能。
当电池出现电压陡降、温升速率≥1℃/s、温度超过电池承受上限三者之一时即视为发生热失控。Ⅰ型电池的触发实验结果如表2所示。
可以看出，加热是最稳定的触发方式，虽然实际情况中鲜有持续高功率加热的环境，但热失控诱因复杂多变难以预防，因此更重要的是提高热管理系统对热蔓延的抵抗能力，即热失控已经发生，附近电池受到了高温加热（类似于加热片加热），在此类条件下热管理系统需要将失控电池的热量快速散出，并减小其他电池失控的可能，因此选择加热作为模组热蔓延实验的触发方式是合理的。

2模组热蔓延实验对比

2.1自然对流散热模组热蔓延实验

在确定电池热失控触发方式后，取5支电池组成小型模组，对热蔓延进行模拟。将5支Ⅰ型电池在满电状态下按照图2所示用夹具组装并布置14只K型热电偶进行温度监测，从左到右电芯顺序编号，其中3号电芯为热失控触发电芯。
2号、3号电芯之间放置一副空夹具，以此来减弱加热片对2号电芯的影响。每两支电芯之间夹入2片气凝胶毡（阻热材料），2号、3号电芯之间的气凝胶毡夹在加热片外侧，用铁丝固定。正负极极耳用铝制方条和极耳连接板并联连接，保证模组的电气连接。组装完毕后放置于室外。加热功率约380W，环境温度（25±1）℃。
假设电池模组各个表面的对流换热系数相等，并将辐射散热与对流换热进行折算，即在环境中仅考虑对空气的对流换热，而后选取一段电池在环境中的降温曲线，结合牛顿冷却定律（式（1））进行变换、求积分得到式（2），根据式（2）进行最小二乘法拟合，则可由此得到电池对流换热系数h，如图3所示。Tmax为t=0时刻的电池温度。h辨识结果约为25.8 W/（m·K）
监控数据变化如图4所示。电芯热失控顺序依次为：3、2、4、5，加热开始后模具缝隙处有少量白烟冒出，12min4s后，3号电池边角处检测到温升符合触发条件，模组出线轻微形变，白烟变得极其浓烈，12min12s，3号电池中心处热失控；15min10s，2号电芯热失控；43min18s，4号电芯受热侧失控，44min31s完全失控，此时模组形变明显；72min47s，5号电池受热侧失控，73min56s完全失控；1号电芯始终没有热失控。
加热片加热期间4号热电偶温度高于5号（近加热片侧），80min后极耳达到温度峰值。由于1号电芯没有热失控，模组电压始终未跌落至0V。从邻近电池失控到本电池受热侧失控的时间间隔约为28min；当电池受热一侧失控后，约1min后对侧中心触发判定条件，此阶段热量在电池内部传递并促进电池分解；实验结束后模组发生明显形变，如图5所示。
电池模具为PVC材质。实验开始时，模具受热产生少量白烟，之后电池受热内部发生剧烈的分解反应，产生大量气体。由于铝塑膜材质较软，电池在内部压力的作用下发生形变并膨胀，而模组内部空间有限，当膨胀到一定程度后便无法继续，电池内部压力升高。

达到一定程度后铝塑膜密封的薄弱环节（侧边封口）因无法抵抗内部压力而破损，内部气体逸出并带出内部反应物颗粒，产生大量白色烟气。由各监测点的温度曲线可知，模组虽装设了导热系数极低的气凝胶毡，但仅能在时间尺度上减缓蔓延的进行，延长热量在电池间传递的时间，要实现对热蔓延的有效控制，需提高模组热管理系统的散热能力，在蔓延未发生时及时将失控电池产生的热量快速导出，确保其他电池不受影响。
2.2表面液冷散热模组热蔓延实验
对上述结构模组做散热改造：在每支电芯表面装散热铝片，使其夹紧电池最大展向面，如图6所示，并在侧封边加装液冷板，利用恒温水循环从铝片上导出热量。
液冷板与散热铝片间敷设导热硅胶垫（导热系数约6.0W/（m.K），厚度约1.0mm），并用螺栓加固使之紧密贴合。温度监测点同2.1节实验。当发现触发电芯温升大于等于1℃/s时，切断加热片电源，同时开启水泵启动水冷。初始水温（23±2）℃，流速约0.7m/s，环境温度（28±1）℃。
实验结果表明只有触发电芯（3号）发生热失控，其余电芯均未发生热失控，整个模组仅在触发电芯热失控时产生白烟，无明火，热蔓延被有效阻隔。
由图7热蔓延数据曲线可知，实验开始后9min37s触发电芯加热侧对侧检测到热失控，最高温度约为430℃，而后温度开始下降；7号热电偶位于下侧，靠近水冷板，故散热条件较好，9min50s时检测到温升达到1℃/s，热失控触发时间略长于中心位置（6号）；除触发电池外，温度最高点为8号热电偶（最接近触发电芯），最高温度约131℃；极耳部分最高温度约为70℃。
拆解后发现仅触发电芯发生形变、胀气，其余电芯完好，电压无明显变化。水冷铝片未发生熔化，仅在触发电芯处的铝片发生形变（触发电芯热失控胀气造成的机械应力形变），其余铝片完好。实验后各支电池电压如表3所示。由于散热铝片装设在电池的展向表面，阻隔了热蔓延的传播路径，再借助液冷方式强大的散热能力，热蔓延得到了有效控制。
2.3极耳强迫风冷散热模组热蔓延实验
取5支满电态的Ⅱ型电池并联，以与2.2节相同的方式进行模组组装，触发电芯旁放置空夹具，电池间以气凝胶毡隔热，如图8（a）所示。
不同的是本次采用了极耳散热、热管导热、散热翅片强迫风冷的结构。由于Ⅱ型电池的极耳位于电芯两侧，故在电池两侧分别装设了两根热管。热管与极耳间敷设导热硅胶垫（同2.2节）并用螺栓加固。风扇自上而下送风，风速约10.5m/s。温度布点如图8（b）所示，从左至右依次为1~5号电芯。加热功率约380W。环境温度（36±1）℃。
开始加热后，触发电池开始鼓胀，模组发生形变，有少量白烟冒出，持续加热至12min5s后喷射白烟，检测到3号电池边角处热失控，此时停止加热，51s后3号电池中心处检测到失控；12min12s，2号电池失控；19min52s，1号电池达到失控触发条件；24min57s，4号电池完全热失控；5号电池未失控，最高温度约71.6℃。注意到翅片温度有两处明显尖峰，并在尖峰处温度超过了热管，如图9所示，此为电池喷射高温白烟所致，除此之外，翅片温度始终低于热管，说明热量沿热管向外界流动。热管最高温度50.5℃，散热翅片最高46℃。
本次热失控蔓延未能被有效阻隔，一方面是由于极耳散热的方式散热能力有限，此方式下热量经有电池极耳、热管、风扇最后到达环境中，热通路复杂，且各个环节均有热阻，因此不能及时散出热量；另一方面，热蔓延的传递主要是在不同电池的表面之间进行的，相比于液冷散热将散热铝板安插在电池之间的形式，极耳散热无法在热蔓延传递路径中加以阻隔，不能直接作用于热蔓延通路，因此无法有效阻止热失控的传播。

3结论
通过对比发现，对于钛酸锂电池，过充、针刺、外短路的触发方式存在偶然性，而加热的方式成功率较高；自然对流散热功率有限，此类型电池模组难以抵抗热蔓延；表面液冷方式可以在热蔓延传播路径上进行隔断，利用强大的散热能力阻止蔓延；极耳强迫风冷散热能力有限，且散热装置不在蔓延传播路径上，难以对热失控进行有效控制。 
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