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电池热失控防护方案仿真分析
2021-10-08 13:30:41· 来源：电动学堂 作者：焦红星等
文章来源：郑州职业技术学院，宇通客车新能源汽车技术部，海马汽车有限公司《中国制造2025》指出，2020年电池能量密度达到300Wh/kg；2025年电池能量密度达到400W
文章来源：郑州职业技术学院，宇通客车新能源汽车技术部，海马汽车有限公司
《中国制造2025》指出，2020年电池能量密度达到300Wh/kg；2025年电池能量密度达到400Wh/kg；2030年电池能量密度达到500Wh/kg。电池包能量密度的增加，不可逆反应热会增加热失控风险。热失控是指电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象。近年来，国内外学者对电池热失控进行了较多研究。文献通过试验研究了动力电池单体电芯在过温、过充及内短路等极端情况下的温度和电压变化，提出改善电池安全性的建议。当一个电池单体发生热失控之后，其相邻单体受影响后也相继发生热失控，导致热失控蔓延，最终引发安全事故。因此，对电芯、模组热扩散行为进行研究，找到有效的防护方法，提升新能源汽车安全性是非常重要的。
1锂离子电池热失控诱因
锂电池发热失控的因素分为内部因素和外部因素。内部因素主要是：电池生产缺陷导致内短路，电池使用不当，导致内部产生锂枝晶引发正负极短路。外部因素主要是：电池使用过程中出现的问题，比如过充、高温使用、挤压及碰撞等。
其中过充和内短路是锂离子电池热失控最常见的原因。文章利用加热方式引发电芯热失控，探究电芯失控形式、温度及位置等信息，利用Starccm+仿真软件搭建模型，验证试验准确性，并研究了相邻电芯之间防火隔热材料、模组防火罩对电芯热失控的影响。
2电芯热失控试验研究
2.1试验对象
试验对象为某电池厂家生产的标称容量为40Ah的三元软包电芯。
2.2电芯热失控测试
充电：若单体Umax＜3.81V，以0.5C倍率恒流充电；若单体3.81V≤Umax＜3.977V，则以0.25C倍率恒流充电；若单体3.977V≤Umax＜4.06V，则以0.2C倍率恒流充电；若Umax≥4.06V，则以0.1C恒流充电至4.15V，至SOC为100%，延时5s结束充电。
电芯1热失控测试方案：设定加热膜加热功率为200W对电芯进行加热，直至电芯发生热失控，监测电池温度变化，每1s采集1次温度信号。
电芯2热失控测试方案：设定加热膜加热功率为200W对电芯进行加热，当电芯底部温度达到120℃，停止加热。观察电芯温度变化情况，若电池温度下降，开启加热功能将电池底部温度加热至160℃，停止加热。
观察电芯温度变化情况，若电池温度下降，开启加热功能将电池底部温度加热至200℃，停止加热。观察电芯温度变化情况，若电池温度下降，开启加热功能将电池底部温度加热至240℃，停止加热。以此类推，直至电池能够自发温升至失控，监测电池温度变化，每1s采集1次温度信号。
2.3电芯热失控试验结果及分析
2个失控电芯一个从极耳喷射，一个从侧边喷射，喷射位置不同。从触发失控鼓胀到开始喷射起火间隔时间较短，几乎同时发生。
电芯1在电芯上表面布置3个温度传感器T1、T2和T3，加热膜布置在电芯下表面，如图1所示，电芯加热至1138s，发生自发反应，温度呈下降趋势，至1198s，电芯发生完全失控，电芯温度瞬间上升至500℃，迅速完成燃烧过程，燃烧持续时间约200s，电芯1在发生失控鼓胀后从极耳处喷射火焰。
电芯2上表面布置3个温度传感器，加热膜布置在电芯下表面，中间布置2个温度传感器，极耳处布置1个温度传感器监测外焰温度，如图2所示。电芯分别加热至120℃、160℃及200℃，电芯均未发生自发失控；当电芯温度上升至240℃时，时间为1345s，电池
开始发生自发失控，至1385s电芯发生完全失控，电芯表面温度迅速上升至最高700℃，燃烧持续时间约200s，电芯在发生失控鼓胀后从侧边喷射火焰。
从以上试验可以看出，当电芯之间没有阻燃性材料，发生热失控的电芯会将火焰引入相邻电芯，相邻电芯迅速达到热失控温度发生热失控，并依次循环直至所有电芯全部失控燃烧完。从第1个电芯开始，相邻电芯发生热失控的时间间隔越来越短，至第5和第6个电芯热失控几乎同时发生，这是由于随着电芯热失控的进行，通过热传导或对流的方式远处电芯已达到极高的温度（接近电芯热失控温度或达到电芯分解的温度），当前1个电芯发生失控的同时，相邻高温电芯会快速达到失控温度发生失控。
防护方案有以下2种：
1）相邻电芯用阻燃材料包裹（特别是电芯失控后容易发生喷射的位置，如软包电芯极耳处），达到隔绝火焰的作用，失控电芯与相邻电芯仅能通过热传导传递热量，加上电芯之间的隔热材料减少热传导带来的热量传递，从而达到隔火隔热的作用，降低相邻电芯发生热失控的概率；
2）在模组外侧增加防火罩，可以将模组发生失控时喷射的火焰进行控制，按照固定的方向和位置喷出，防止引燃其他模组，同时可以防止烧穿箱体引燃电池箱体外部部件。
3仿真验证
利用Starccm+仿真软件搭建模组外侧增加防火罩，利用方式引发电芯热失控，研究防火罩对模组热失控影响。图3为模组外侧阻燃罩模型及电芯排布模型。
热失控电芯、模组采用加热方式，共计18根热电偶。其中，模组内布置13个热电偶，模组外在防护罩表面布置5个热电偶，如图4和表1所示。
3.1相邻电芯无阻燃材料热失控仿真分析
模拟电池起火燃烧需要定义输入条件。单体锂电池主要由电解液、隔膜、正负极及隔膜组成。按照表2中参数输入，建立与实际电芯结构接近的物理模型如图5所示。
相邻电芯之间无阻燃防火措施，测试结果如图6、图7所示，当一个电芯发生失控，电解液喷射燃烧，会直接作用在相邻电芯，造成连续引燃。从第1个电芯开始，相邻电芯发生热失控的时间间隔越来越短，至第5和第6个电芯热失控几乎同时发生，这是由于随着电芯热失控的进行，通过热传导或对流的方式使远处电芯已达到极高的温度（接近电芯热失控温度或达到电芯分解的温度），当前1个电芯发生失控的同时，相邻高温电芯会快速达到失控温度发生失控。
当电芯发生连续热失控，防火罩表面温度场如图8、图9所示，防火罩表面最高温度363℃，完全通过与模组壳体的直接接触传热，该温度不会使阻燃材料燃烧或失效（阻燃材料失效温度＞1000℃），起了隔绝火焰的作用，避免引燃相邻模组。
3.2相邻电芯之间防火隔离仿真分析
按照相邻电芯间无阻燃材料模型边界条件搭建增加阻燃材料模型，如图10所示。
相邻电芯用阻燃材料包裹，起到了隔绝火焰的作用，失控电芯与相邻电芯仅通过热传导传递热量，加上电芯之间的隔热材料减少热传导带来的热量传递，从而达到隔火隔热的作用，相邻电芯未达到热失控温度，如图11、图12所示。
当电芯未发生连续失控，阻燃材料表面温度如图13、图14所示，阻燃材料表面最高温度240℃，完全通过与模组壳体直接接触传热，该温度不会使阻燃材料燃烧或失效，起了隔绝火焰的作用，避免引燃相邻模组。
4结论
相邻电芯用阻燃材料包裹，起到了隔绝火焰的作用，相邻电芯未达到热失控温度。阻燃材料表面最高温度240℃，完全通过与模组壳体的直接接触传热，该温度不会使阻燃材料燃烧或失效，起了隔绝火焰的作用，避免引燃相邻模组。仿真结果为电池包热扩散防护提供理论基础，节约设计成本，缩短项目周期。
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