基于主動降溫的熱失控鋰離子電池熱擴散抑制研究

翟旭亮 王文健 劉渺然 王業斌 侯典坤 董謙

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

1 前言

鋰離子電池因具有高能量密度、高功率密度、長壽命和環保等特點而廣泛應用于電動汽車[1]。受鋰離子電池自身材料特性的影響，使用過程中出現熱濫用、電濫用、機械濫用等情況時，可能會導致熱失控現象[2]。

動力電池系統內部由電芯單體串、并聯組成，單個電芯發生熱失控后，會通過電芯防爆閥噴發出大量高溫高壓的可燃物質，并將熱量迅速傳遞到相鄰電芯，相鄰電芯溫度超過安全限值后會發生熱失控，這種由單一電芯熱失控引發相鄰電芯相繼發生熱失控的現象即為熱擴散[3]。熱擴散會引起電動汽車發生火災，因無法接觸到正在燃燒的電池組，在沒有足夠冷卻的情況下，火災容易在第一次撲滅后復發，導致更嚴重的事故[4]。

從熱量傳遞的角度分析，抑制熱擴散的發生需要將熱失控電芯的相鄰電芯溫度控制在安全限值以下。從傳熱學角度有2 種解決方法：增加熱失控電芯與相鄰電芯之間的熱阻；吸收熱失控電芯的產熱量，減小與其相鄰電芯之間的溫差。目前前者應用較為廣泛，如在電芯間增加氣凝膠、石棉、巖棉等低導熱系數且阻燃的材料[5-8]，其問題在于隨著單體電芯能量密度的持續增加，電芯正極材料中鎳含量越來越高，熱穩定性也隨之變差[9]，單純使用熱阻隔手段難以保證電池包內不發生熱擴散。針對吸收熱失控電芯的產熱量，已有研究中所采用的冷卻介質包括水蛭石分散液[10]、全氟己酮[11]、熱氣溶膠[12]、液氮[13]等，以上冷卻介質對于電池系統設計來說均為額外新增物質，對電池系統的內部空間布置、成本控制均有不利影響。

冷卻液（乙二醇水溶液）是動力電池系統中常見的溫度控制介質，本文采用冷卻液作為電芯熱失控冷卻介質，選用某型號方形三元鋰離子電池作為研究對象，通過主動澆注降溫手段，探究不同澆注量下的熱失控電芯及其相鄰電芯的溫度變化規律，并模擬實車環境研究水泵對澆注流速的影響。

2 主動降溫方法

2.1 降溫原理

對于采用液體冷卻裝置的電池系統，在正常工作狀態下，電池主要通過液冷板與換熱介質進行對流換熱。電池將熱量傳遞給冷卻液，再通過冷卻液的持續流動帶走熱量，冷卻液吸收的熱量計算公式為：

式中，QS為冷卻液吸收的熱量；Cp為冷卻液的定壓比熱容；m為冷卻液的質量；ΔT為電池換熱前、后冷卻液的溫差；q為冷卻液流量；ρ為冷卻液密度；t為冷卻液和電池的換熱時間。

電芯發生熱失控后，在短時間內會產生大量的熱，溫度快速升高，此時單純利用對流換熱不足以抑制電池溫度升高，當熱失控電芯的相鄰電芯溫度達到一定閾值后，也會觸發熱失控，包內就會出現熱擴散現象。為有效抑制熱擴散，需要利用比對流換熱更為有效的換熱方法，即控制第一顆熱失控電芯的最高溫度，使其不足以觸發熱擴散。相比對流換熱，利用冷卻液顯熱對電池進行降溫，冷卻液在汽化過程中的相變潛熱量要高出數量級的差距，且相變過程溫度基本不變。因此，對于熱失控的電芯，利用冷卻液汽化抑制溫升是更有效的手段，其原理為：

式中，QL為冷卻液由液態相變到氣態需要吸收的熱量；mp為汽化的冷卻液的質量；Δh為單位質量冷卻液的汽化熱。

2.2 冷卻液用于抑制電芯熱失控的可行性

冷卻液為電池系統設計中常見的換熱介質，通過液冷板與電池進行換熱。以質量濃度為50%的乙二醇水溶液為例，其沸點約為107 ℃，遠低于電芯熱失控后的峰值溫度，可以利用其蒸發時的相變潛熱對熱失控電芯進行降溫，因此選用冷卻液作為相變降溫材料用于控制熱失控電芯溫度，可以達到抑制電池包熱擴散發生的目的。同時，根據GB 38031《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中對熱擴散成員防護的要求，抑制熱擴散的發生是保障成員安全的有效手段。

2.3 整車環境的電池熱擴散抑制系統

在電池包設計中，可在電池包內單獨設計一條水冷支路與已有的冷卻板回路并聯，水冷支路需要覆蓋所有電芯，確保任意一顆電芯熱失控時都可以精確降溫。如圖1 所示，熱擴散抑制系統由電池包內的水冷支路、水管，以及電池包外的儲液壺、水泵、冷卻液回路組成。在發生熱失控后，水冷支路因接觸電芯熱失控高溫噴射物，迅速被熔斷，冷卻液回路出現泄漏點，向熱失控電芯澆注冷卻液；水泵用于提高冷卻液的澆注流速，提高對熱失控電芯的降溫效果，儲液壺存儲一定量的用于熱失控電芯降溫的冷卻液。

圖1 熱擴散抑制系統原理

熱擴散抑制系統的實際效果主要與以下幾個參數相關：

a.冷卻液澆注時間。電芯發生熱失控后，其溫度會出現快速升高，熱失控抑制系統需要在熱失控電芯將相鄰電芯溫度升高到熱失控觸發溫度限值前對其進行冷卻液澆注降溫，即熱擴散抑制的窗口期。

b. 冷卻液的總澆注量。根據式（2）可知，用于蒸發降溫的冷卻液總量越大，可吸收的熱量就越多，對熱失控電芯的降溫效果越明顯，越不容易發生熱擴散。根據工程實際，需要用盡可能少的冷卻液達到抑制熱擴散的目的。

c.冷卻液的澆注流速。電芯熱失控后，越快進行冷卻液澆注、單位時間澆注量越大，對熱擴散抑制效果越明顯。本文熱擴散抑制系統中，因流道結構已確定，壓損不變，故流速主要受到冷卻液回路的水泵轉速影響。

3 試驗平臺

3.1 熱擴散試驗臺架

本文所采用的熱擴散試驗臺架有2 種。第1 種以模組作為研究對象，選取某型號方形三元鋰離子電池模組作為試驗對象。如圖2 所示，在模組中選擇一顆電芯作為熱失控觸發電芯，在其內部添加熱失控觸發裝置（加熱膜），并在其側面幾何中心布置溫度傳感器S1，在其兩側相鄰電芯側面幾何中心分別布置溫度傳感器S2、S3用以采集熱失控試驗過程電芯溫度信號。第2 種試驗臺架是在第1 種基礎上，以某型號電池包作為研究對象，搭建整包級別的實物臺架用于最終效果驗證。

圖2 采溫點示意

3.2 熱擴散抑制影響因素分析臺架

根據圖1 搭建如圖3 所示的試驗臺架，其中所有臺架構成件均采用與某車型完全相同的1∶1 樣件，包括冷卻液水管、水泵、儲液壺、電池殼體、水冷支路等。所有構件的相對位置盡可能還原在整車環境中的實際位置，以研究冷卻回路水泵轉速對冷卻液澆注量、流速等的影響。

圖3 冷卻液澆注量試驗臺架

4 試驗結果分析

4.1 熱擴散抑制窗口期分析

窗口期是對熱失控電芯進行冷卻的最有效時間段。圖4所示為無任何主動冷卻條件下，按3.1節中方法進行熱擴散試驗獲得的S1和S2處的溫度變化曲線。由圖4 可以看出，電芯觸發熱失控后表面溫度T1在第104 s 時達到713 ℃，其相鄰電芯的表面溫度T2在第130 s 時達到200 ℃，而后持續受到熱失控電芯的加熱，當溫度逐步升高到330 ℃后，發生劇烈反應，溫度陡升至超過800 ℃。根據試驗經驗，T2的安全溫度限值為200 ℃，由圖4 可知，從熱失控發生到T2達到200 ℃需要130 s，因此選擇130 s作為熱擴散抑制窗口期。

圖4 熱擴散過程中電芯溫度變化

4.2 冷卻液澆注量分析

確定窗口期后，為進一步研究不同冷卻液澆注量對熱擴散抑制作用的影響，分別選擇0.8 L、1.2 L、1.5 L的冷卻液澆注量進行試驗，結果如圖5所示，冷卻液澆注量為0.8 L時，熱失控觸發電芯溫度相比無冷卻液澆注的圖4對照組，最高溫度有所降低，證明使用冷卻液對熱失控電芯進行澆注降溫是有效的。但其相鄰電芯溫度超過安全限值200 ℃，未能避免熱擴散發生。冷卻液澆注量為1.2 L時，相鄰電芯的溫度在第365 s時達到200 ℃，并最終發生熱失控。冷卻液澆注量為1.5 L時，觸發電芯的最高溫度降低至556 ℃，對應相鄰電芯在靜置2 h后未發生熱失控，證明1.5 L的冷卻液澆注量可以有效抑制熱擴散的發生。

圖5 不同冷卻液澆注量條件下熱失控觸發電芯和相鄰電芯溫度

此外，為驗證抑制熱失控效果的有效性，在1.5 L冷卻液澆注量條件下，共進行3 次試驗，結果如圖6所示。由圖6可知，3次試驗相鄰電芯的最高溫度分別為155 ℃、122 ℃、138 ℃，最大差值為33 ℃，誤差原因可能與熱失控觸發電芯的單體一致性、冷卻液澆注量、速率等有關。

根據圖5可知，隨著冷卻液澆注量增大，熱失控觸發電芯的最高溫度逐漸降低、最高溫度出現更早，說明熱失控電芯可以更快進入降溫區間，對相鄰電芯的傳熱量更小，相鄰電芯的最高溫度也就更低。增大冷卻液澆注量，可以延遲熱擴散發生，當冷卻液澆注量為1.5 L 時，相鄰電芯未發生熱失控，熱擴散被成功抑制。結合熱擴散抑制窗口期時間130 s，當注液量為1.5 L 時，確定阻止熱擴散的流速為0.69 L/min。

4.3 冷卻液流速影響因素分析

如圖1所示，在整車環境下，冷卻液儲存在儲液壺中，通過水泵驅動在回路中循環，其流速的主要影響因素為水泵的轉速。

熱失控發生后，高溫噴射物會使水冷支路迅速熔斷，冷卻液回路出現泄漏點，由于大氣壓的作用，冷卻液流速會非常緩慢，因此需要借助水泵進行水路循環。如表1 所示，冷卻液的流速隨水泵轉速的提高而提高，在試驗的所有轉速下，流量均大于需求澆注量1.5 L，但只有水泵轉速達到2 500 r/min、流速達到0.71 L/min 時，才滿足流速不小于0.69 L/min的要求。當水泵轉速繼續上升，冷卻液的澆注時長將會短于130 s的注液窗口期，因此最終選取2 500 r/min作為整車環境下熱失控后水泵的設定轉速。

表1 水泵轉速對冷卻液流速的影響

4.4 電池包實物驗證

為驗證所選參數的真實熱擴散抑制效果，按3.1節方案搭建整包級別熱擴散試驗臺架，測溫點位置見圖2。選取水泵轉速2 500 r/min、相應冷卻液澆注量1.65 L、澆注流速0.71 L/min 作為試驗參數進行整包級別效果驗證。如圖7 所示，熱失控觸發電芯的溫度在熱失控發生后第69 s 達到最高值660 ℃，相鄰2個模組的溫度分別在第386 s、第405 s達到最高溫度196 ℃、188 ℃，且均未因溫度過高觸發熱失控。試驗過程電池包防爆閥正常開啟排氣，整包未出現熱擴散現象，如圖8所示。

圖7 不同澆注量對熱擴散抑制效果

圖8 整包級熱擴散驗證試驗

對比圖7 整包級試驗的溫度表現與圖5 模組級試驗的溫度表現，雖然整包級試驗相鄰電芯的最高溫度均未達到電芯熱失控溫度限值200 ℃，但均高于模組級試驗的155 ℃。同時，整包級熱失控觸發電芯的溫度最高值660 ℃也明顯高于圖5 中熱失控觸發電芯的溫度最高值556 ℃。考慮到整包級試驗的流量1.65 L 大于模組級試驗的1.5 L，顯然整包級試驗的電芯溫度明顯較模組級試驗高。原因在于，相比模組級試驗環境，整包級試驗因熱失控電芯安裝在密封性良好的電池包內，熱失控發生時，熱量不能快速導出包外，在相同冷卻液澆注條件下，其觸發電芯及相鄰電芯的溫升幅度更大。

5 結論

a. 針對熱失控電芯，采用冷卻液澆注方法，可以顯著降低其溫升，且其降溫效果隨澆注量的增加而增強。

b.對于熱失控電芯的相鄰電芯，熱擴散發生時間隨著澆注量的增加而推遲。在試驗過程中，當其溫度始終保持在熱失控溫度限值以下時，熱擴散不會發生。

c. 冷卻液的澆注流速是抑制熱擴散發生的重要參數，在實車環境下，其受到冷卻液回路水泵轉速的影響，流速與水泵轉速呈正相關。

d.相比模組級別熱失控試驗，整包級別試驗因電池包殼體的存在，熱失控后熱量不易迅速傳遞到環境中，需要適當提高冷卻液澆注流速以達到抑制熱擴散發生的目的。