不同荷電狀態下鋰電池的熱失控實驗研究

潘公宇，薛 磊

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013)

隨著經濟水平的發展，能源需求在不斷增加，傳統燃油車保有量激增，汽車尾氣導致的環境污染日益嚴重。為了保護環境和持續發展，電動汽車正在逐漸代替傳統燃油汽車，成為了人們主要出行工具。美國、德國、日本等汽車產業強國，陸續加入了電動汽車及相關技術研發行列。

然而，隨著電動車數量越來越多，配置的電池組容量越來越大，因電池組自身安全問題所導致危險事故頻發。從2014 年開始，中國、加拿大、美國、挪威等國家相繼發生多起電動汽車起火自燃事件[1]。

對安全的關注，使學者們對鋰電池熱失控現象及機理研究越來深入，熱濫用觸發鋰電池熱失控研究成果常見報道。郭超超等[2]通過對不同荷電狀態下的鋰離子電池開展熱失控實驗，確定鋰離子電池在不同荷電狀態下熱失控釋放氣體特性，結果顯示不同荷電狀態對鋰離子電池熱失控釋放氣體量有顯著影響。王賀武等[3]用荷電狀態50%左右的鋰電池在惰性保護氣體環境中進行熱失控實驗，失控后出現兩次劇烈噴射，噴出物含有氣-液-固三相共存的特征。孫均利等[4]通過對18650 磷酸鐵鋰電池進行木屑燃燒實驗，滿電電池達到高溫時會出現二次噴射，正極材料殘留物的晶型發生重大改變，且有其他物質生成。卞昶等[5]通過對不同荷電狀態的鋰電池進行針刺、加熱、火燒，分析了熱失控程度及殘留物痕跡特性，認為電池荷電狀態越高，電池熱失控后化學反應越劇烈，痕跡越明顯，且誘發條件中以火燒對電池破壞性最大。劉全義等[6]通過對不同初始壓力下滿荷電態鋰電池進行燃爆實驗，發現高初始壓力下鋰電池更容易被燃爆引發熱失控。田相軍等[7]通過對三種不同種類的鋰電池分別進行機械、電和熱的極端濫用，來研究鋰電池熱穩定性，其觀點認為不同種類鋰電池溫度、電壓變化特點和規律均有所差異。SLA 等[8]對低荷電態下的高比能量密度鋰電池進行了熱失控實驗，對正極、負極和隔膜的結構和熱穩定性進行了研究，結論是在低荷電狀態下隔膜的相變反應是影響電池熱失控的關鍵因素。BUGRYNIEC 等[9]對磷酸鐵鋰電池在180 和220 ℃條件下進行了對流烘箱實驗，對比鋰鈷氧化物電池熱失控表現，發現了磷酸鐵鋰電池的熱失控表現明顯更穩定。

上述對鋰電池熱失控的研究，多基于滿荷電狀態的單體電池進行，裸露的單體電池直接在常溫環境中進行相關實驗。目前，對新能源汽車電池模組及電池包水平的熱失控研究還較少，即使有研究，行駛中汽車電池包不同荷電狀態對熱失控影響考慮的也較少。畢竟新能源汽車電池包為提高安全性，已配置了電池包外殼、散熱裝置，使用了不同隔熱材料等，電池包的熱失控現象及機理與裸露單體電池自然會有不同。

本文利用整包仿實況實驗平臺對三種荷電狀態(95%、50%和20%)下的鋰電池組，進行加熱觸發熱失控實驗，實驗對象添加了電池包外殼、水冷散熱裝置、隔熱材料，仿真實環境條件，探求不同荷電狀態下鋰電池組熱失控觸發情況，觀察處于熱失控過程中的電池與電池之間熱量傳遞情況，燃爆蔓延情況。通過分析現象和探究機理，為采取降低鋰電池熱失控爆炸的措施提供數據支撐，為鋰電池安全應用提供經驗。

1 實驗平臺及實驗方法設計

為研究整車環境下鋰離子電池熱失控特性，在傳統實驗室鋰電池熱失控平臺上進行改進，搭建了一個整包仿實況實驗平臺。該平臺含有1 800 mm×560 mm×125 mm 的電池包外殼，外殼四周裝有泄壓閥。為保證外殼主體的氣密性，將對外殼進行上蓋封裝。水冷設備為電池包提供水冷降溫，以便模擬整車水冷系統正常運行的實際工況。數據采集器用來采集電池包的溫度和電壓，記錄觸發熱失控電池及相鄰電池實驗過程溫度和電壓變化。在目標觸發電池表面安裝加熱片用于給電池升溫，外部使用交流穩壓電源給加熱片提供穩定的工作條件，攝像系統與上位機組成監控系統，實時記錄熱失控發生全過程，并將畫面及數據上傳上位機。電池包中的單體電池之間用隔熱片隔開。實驗平臺見圖1。

圖1 實驗平臺

電池包采用三元鋰離子電池，容量281 Ah，充電截至電壓4.3 V，電池模組成組電路為1 并4 串。單體電池質量4 kg，外形尺寸為250 mm×67 mm×112 mm。使用絕緣材料制成的可耐高溫的隔熱片將單體隔開，在模組兩側單體外立面，分別貼放一片隔熱片。

電池組單體電池上貼裝K 型熱電偶，熱電偶電壓信號線、電池和模組電壓信號線引至數據采集器。電偶測試溫度范圍是-40～105 ℃。數據采集器為HOKI 的LR8431-30，采樣周期500 ms。水冷設備采用凌工LQMC 比例閥式高低溫冷卻循環機，可在25～120 ℃范圍內設定某一溫度進行循環冷卻，溫度控制精度為1 ℃。實驗時，流量設置為15 L/min，冷卻流體溫度設置為30 ℃，模擬汽車實況運行時電池包環境溫度。

電源采用UNI-T 交流穩壓電源，電壓、電流和功率可高精度設定調整，可給加熱片供電。電池模組見圖2。四塊規格相同單體電池按圖所示順序擺放好，設置電池1 為熱失控觸發電池。

圖2 電池模組布置

將電池模組置于實驗平臺中的電池包內，替換其中一個模組。按圖2所示，在電池1加熱面處貼裝加熱片，在四只電池相互接觸面的中心位置布置溫感線，電池電極端焊接電壓信號線。加熱片通電后，數據采集儀實時監測電池溫度及電壓。

加熱持續一段時間后，待出現明顯的副反應氣體及爆炸聲時斷開電源，并繼續觀察，直至實驗結束。

2 荷電狀態對鋰電池模組熱失控特性影響

2.1 熱失控各階段行為特性

通過分析實驗數據，不同SOC狀態下，鋰電池模組熱失控呈現規律大致相同。以SOC為95%為例，熱失控過程可分為以下幾個階段：

第一階段，電池被加熱后，電池溫度緩慢升高，電池包表面無明顯變化；

第二階段，持續加熱464 s 時，電池1 溫度399.1 ℃，電壓有小幅度下降。在模組開路時，電壓下降表明電池內部已開始有物質變化；

第三階段，持續加熱505 s 時，電池1 溫度515.4 ℃，電壓由3.795 V 驟降至0.174 5 V，電池包內發生巨響，上蓋震動，電池1 對應的上蓋位置泄壓閥釋放出濃煙；

第四階段，煙氣噴發慢慢增強，電池1(觸發電池)和其相鄰電池對應上蓋位置的泄壓閥不斷噴發煙氣，電池溫度不斷爬升；

第五階段，煙氣噴發量逐漸變少，電池溫度逐漸降低，熱失控過程結束。

2.2 電池溫度與電壓分析

根據熱失控觸發判定條件，SOC為95%和50%的電池均會發生熱失控。SOC為20%電池未發生熱失控。以加熱開始為計時起點，熱失控觸發后，SOC為90%和50%電池的電壓驟降所經歷的加熱時間相差無幾。但比SOC為20%的電池，這個過程來的更快些。荷電狀態(SOC)越高，電池溫升速率越大，熱失控后的峰值溫度也越高。不同荷電狀態下電池1 溫度變化和電壓變化見圖3 至圖5。

圖3 95%SOC下電池1溫度、電壓變化曲線

圖4 50%SOC下電池1溫度、電壓變化曲線

圖5 20%SOC下電池1溫度、電壓變化曲線

由圖3 至圖5 可見，電池1 溫度和電壓的變化可以分為幾個階段。加熱開始和溫度爬升期間，電壓幾乎保持不變；熱失控觸發，溫度急劇升高，電壓驟降；消退階段，電池溫度達到峰值后慢慢開始下降，電壓逐漸降低到0 V，直至熱失控結束。

不同荷電狀態下電池2溫度和電壓變化見圖6、圖7和圖8。

圖6 95%SOC下電池2溫度、電壓變化曲線

圖7 50%SOC下電池2溫度、電壓變化曲線

圖8 20%SOC下電池2溫度、電壓變化曲線

由圖6 至圖8 可見，水冷液循環和隔熱片同時工作期間，與電池1 相鄰的電池2，其溫度因熱量傳導變化較為明顯，相比于電池3 和電池4，變化更大些，但電池2 并沒有發生熱失控。電池3 和電池4 的電壓、溫度幾乎與初始狀態一致。

2.3 熱量傳導

實際應用的電池，往往成組使用。隨著觸發電池溫度慢慢升高，升高到某個數值時，與之相鄰電池也會因熱量傳導，其溫度會升高。而相鄰電池溫度升高到一定值時，與該電池相鄰的電池也會發生熱量傳導并開始升溫。熱量傳導和溫升情況可以按照距離目標熱失控電池遠近依次發生，形成溫度梯度。實驗中電池因熱量傳導導致溫度梯度變化情況見圖9 至圖11。

圖9 95%SOC下電池溫度傳遞變化

圖10 50%SOC下電池溫度傳遞變化

圖11 20%SOC下電池溫度傳遞變化

由圖9 至圖11 可見，電池荷電狀態越高，電池與電池之間的熱量傳遞效率越高，其臨近電池溫升速率越快，達到峰值溫度越高。SOC為95%時，與電池1 相鄰的電池2，其最高溫度達到200 ℃左右。SOC為50%時，能達到100 ℃左右。SOC為20%時，能達到70 ℃左右。

2.4 熱蔓延

電動汽車電池包中某一塊電池發生熱失控，熱量傳導與電池模組結構相關，會按照一定規律進行熱蔓延。總結熱蔓延特點，可以為設計師設計防止熱失控擴散措施提供參考。

在不同SOC狀態下進行熱失控實驗，電池包上蓋不同位置布置了11 個溫度傳感器，各個位置的溫度曲線見圖12 至圖14。

圖12 95%SOC下上蓋不同位置的溫度變化曲線

圖13 50%SOC下上蓋不同位置的溫度變化曲線

圖14 20%SOC下上蓋不同位置的溫度變化曲線

由圖12 至圖14 可見，不同SOC情況下，電池包內部熱蔓延特點不同。在上蓋布置11 個溫度測點中，每個測點溫度的溫升速率不同。SOC為95%時，溫升速率由高低到底的測點順序是3、2、4、11、10、1、5、9、6、7 和8；SOC為50%時，順序為8、7、9、1、6、11、5、10、4、3、2。SOC為20%時，順序為7、5、4、3、11、9、6、8、2、1、10。

這現象說明，當目標熱失控電池被加熱到一定程度后，電池包內部熱量蔓延，一般是以觸發電池位置為起始點向四周散開，與電池SOC狀態無關。熱蔓延溫度測點位置示意圖見圖15。

圖15 熱蔓延溫度測點位置示意圖

以SOC為95%的實驗模組為例，當模組在圖示指定位置進行觸發后，熱量首先向與之臨近的a 區域蔓延，接著會向橫向位置的b 區域和與水冷機接口處相近的c 區域蔓延，然后會向縱向位置的d 區域蔓延，最后會向著最遠距離的e 區域蔓延。熱量會先由觸發點橫向向臨近區域蔓延，再向著縱向臨近區域蔓延，最終向距離最遠的對角區域蔓延。

3 結論

對三組不同荷電狀態鋰電池模組進行熱濫用觸發熱失控實驗，對實驗數據進行分析后認為，SOC為95%、50%的鋰電池模組被加熱后會觸發熱失控，最高溫度分別為700 和500 ℃，但SOC為20%鋰電池模組不會因為加熱觸發熱失控。熱失控時，與熱失控目標電池最近電池，獲取熱量最多，溫升快。當增加隔熱片和水冷液循環措施時，電池模組不會觸發熱失控。目標電池熱失控后，電池包內熱量由觸發電池的位置先橫向蔓延，再縱向蔓延，最后向遠端蔓延。

根據實驗結果，建議鋰電池在高溫環境中運輸和使用時，將電池荷電容量降低，不宜高于50%，20%以下較為安全。電池模組置于電池包內時，應安裝隔熱片，輔之以水冷散熱措施。電池包內的電池模組橫向方向設置防火、隔火和降溫材料，以阻斷熱量的進一步蔓延。