鄒振耀，田相軍，王盼盼，凌 澤

（重慶車輛檢測研究院有限公司，國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，電動汽車安全評價重慶市工業(yè)和信息化重點試驗室，重慶401122）

0 引言

鋰離子動力電池作為新能源電動汽車的動力源，具有污染小、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。由于單體電池?zé)o法滿足電動汽車的要求，通常電動汽車用動力電池是由單體電池通過串并聯(lián)組成的電池組構(gòu)成的。通常把電池組中的某一單體電池內(nèi)部發(fā)生一系列反應(yīng)形成不可控升溫導(dǎo)致著火、爆炸的現(xiàn)象叫做熱失控。單一電池?zé)崾Э蒯尫懦龅哪芰渴怯邢薜?，但是單一電池觸發(fā)熱失控釋放的能量會觸發(fā)周圍其他電池單體發(fā)生熱失控形成連鎖反應(yīng)，最終會導(dǎo)致整個電池組的爆炸、燃燒，釋放出更大數(shù)量級的能量，造成極大的破壞。因此，動力電池組熱失控擴展防護研究對促進電動汽車行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1 熱失控擴展的影響因素

1.1 動力電池組合方式

研究者們發(fā)現(xiàn)，電池組不同的組合方式會對電池?zé)崾Э財U展產(chǎn)生一定的影響。LAMB等［1］對簡單串、并聯(lián)的18650電池組通過針刺觸發(fā)熱失控進行實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)并聯(lián)電路容易發(fā)生熱失控擴展。原因是并聯(lián)電路中單體電池內(nèi)部短路后，周圍電池向短路電池放電，促使短路電池內(nèi)部溫度升高，而周圍電池輸出功率較遠端電池更大，導(dǎo)致升溫速率加快。因此，并聯(lián)電路熱失控單體及周圍單體電池升溫更快，更易發(fā)生熱失控擴展。LOPEZ等［2］通過仿真實驗研究分析發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)電路蜿蜒式分布比分支式分布更易引發(fā)熱失控。

1.2 電池組與環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)

熱失控電池不及時與環(huán)境發(fā)生熱交換，進行散熱降溫，那么熱失控電池釋放的熱量就會聚集起來，使周圍電池溫度快速升高直至產(chǎn)生熱失控擴展。

胡棋威［3］分別在敞開體系和封閉體系中對幾種不同容量的電池通過加熱方式觸發(fā)熱失控。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：封閉體系比敞開體系更易發(fā)生熱失控擴展，原因是敞開體系中熱失控單體產(chǎn)生的火焰不足以加熱周圍單體至熱失控。

SPOTNITZ等［4］通過仿真模擬研究發(fā)現(xiàn)：對于由圓柱電池組成的電池組，電池組與環(huán)境之間的散熱條件越好，越難發(fā)生熱擴展。

1.3 電池之間的熱傳導(dǎo)

電池之間的熱傳導(dǎo)越快，熱失控電池釋放的熱量越容易向周圍電池傳導(dǎo)，越容易引發(fā)熱失控擴展。電池的形狀、電池的排列和連接都會對電池之間的熱傳導(dǎo)產(chǎn)生影響。

LAMB等［1］研究發(fā)現(xiàn)，方形軟包電池串聯(lián)模組比圓柱形電池串聯(lián)模組更容易發(fā)生熱擴展。這是因為圓柱形電池串聯(lián)模組盡管排列緊密，但圓柱形的幾何結(jié)構(gòu)使電池間的接觸面積較小，熱失控電池對周圍電池傳遞熱量較少，不足以觸發(fā)周圍電池的熱失控；而方形軟包電池之間有較大的接觸面積使熱量傳遞容易，導(dǎo)致熱擴展更易產(chǎn)生。

WU等［5］分析了方形鋁殼電池模組中的熱傳導(dǎo)途徑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：熱失控電池的熱量傳導(dǎo)主要通過殼體進行，而極柱連接片傳遞的熱量相對較小。

KIM等［6］通過仿真分析發(fā)現(xiàn)：電池極柱連接片越寬，電池通過極柱傳導(dǎo)給周圍電池的熱量就越多，越容易發(fā)生熱失控擴展。

1.4 高溫噴射物及火焰

熱失控電池的高溫噴射物及火焰蘊含著大量能量，也是引起熱失控擴展的重要因素之一。

LIU等［7］發(fā)現(xiàn)：電池單體燃燒放出的熱量大約是儲存能量的3倍，燃燒釋放出更多能量，產(chǎn)生火焰直接加熱周圍的電池，加速熱擴展發(fā)生。

胡棋威［3］研究了封閉環(huán)境下的熱擴展，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于封閉環(huán)境熱量難以散發(fā)到環(huán)境中，火焰的灼燒和高溫噴射物有可能使熱失控電池的非相鄰電池先發(fā)生熱失控。

還有其他學(xué)者研究同時證明：由熱失控電池噴射出的高溫物質(zhì)是周圍電池引發(fā)熱失控重要因素，促進了熱失控擴展的發(fā)生［1-2，8］。

2 熱失控擴展防護措施

通過對熱失控擴展影響因素的分析，熱失控擴展的防護要在阻止電池之間的熱傳遞、促進熱失控與環(huán)境溫度的交換、降低電池溫度3個方面進行。

2.1 熱阻隔技術(shù)

熱阻隔技術(shù)是使用隔熱板將熱失控電池與未發(fā)生電池隔離開來，阻斷熱失控單體熱量、火焰和高溫噴射物的傳播。COLEMAN 等［9］、 KIZILEL 等［10］對圓柱體電池模組的研究中發(fā)現(xiàn)，增大電池之間的間隙可以減少熱傳遞，使更多的熱量傳遞到環(huán)境中，從而抑制了熱失控擴展的發(fā)生。

由于隔熱板填充在電池之間，有可能對熱失控電池的散熱產(chǎn)生不良影響，研究者通常采用預(yù)留一定間隙的方法來避免這種不良影響。MUNIZ［11］設(shè)計出一種在方形電池間使用的不完全封閉的隔熱層，這種隔離層能夠阻斷熱失控電池和周圍電池的熱傳導(dǎo)，同時不完全封閉的設(shè)計使電池之間有空氣對流，有利于散熱，避免局部溫度過高。CHEN等［12］通過模擬仿真探究了隔熱板厚度對熱失控的阻隔作用，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)隔熱板在一定厚度時，能夠在保證熱管正常工作的前提下，又可阻斷熱失控。LI［13］在熱失控電池周圍包裹一層導(dǎo)熱系數(shù)約為0.03 W／（m·K）隔熱防火材料，同時保持電池間2 mm的間距，大大減小了周圍電池受到的熱輻射，能夠有效阻止熱失控擴展。

2.2 增強冷卻技術(shù)

（1） 空氣散熱

空氣散熱利用風(fēng)扇類設(shè)備制造空氣流動來帶走電池的熱量，這種散熱是當(dāng)今最為常見、也是最簡易的方式。

MOHAMMADIAN和ZHANG［14］的研究表明：采用風(fēng)扇散熱能夠有效降低電池的整體溫度及溫度均勻度，并且空氣流速越快電池最高溫度下降越明顯。

GIULIANO等［15］采用了一種采用金屬泡沫基換熱板材料的風(fēng)冷系統(tǒng)，由于泡沫基材料增加了電池與空氣的換熱面積，有效增加了散熱效率。

部分汽車廠商采用了空調(diào)制冷與風(fēng)冷系統(tǒng)雙管齊下的方式進行空氣散熱，如豐田Prius，大大增加了風(fēng)冷散熱的效果。

（2） 液冷散熱

由于水的比熱容比較高，研究者發(fā)現(xiàn)液冷散熱相比風(fēng)冷散熱溫度均勻性更好、安全性更高。XU等［16］設(shè)計了一種微通道液冷系統(tǒng)，結(jié)果表明：在微通道里液流速度為10 L／s的情況下，雖然不能阻止單體電池發(fā)生熱失控，但是能夠有效防止電池間的熱失控傳播。

ZHAO等［17］開發(fā)出一種基于聚丙烯酸鈉的柔性水凝膠，可以以任意形狀插入在鋰離子電池中間，增大與電池的接觸面積。這種凝膠含99%的水，具有高比熱容和高阻抗，同時加強了液冷效果和電池的安全性。測試表明采用這種柔性水凝膠系統(tǒng)的電池組能夠承受一系列高強度放電和異常放熱過程。

（3） 相變散熱

采用相變材料 （Phase Change Material，PCM）作為一種散熱方式最早由HALLAJ和SELMAN［18］提出。PCM具有較大的相變潛熱，當(dāng)溫度達到PCM相變點時可吸收大量熱量，能夠維持周圍溫度，使電池溫度不能劇烈升高。因此相變材料能夠迅速將電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的熱量吸收，控制環(huán)境溫度，抑制熱失控的擴散。

相變材料的缺點是導(dǎo)熱性較差，不能及時將熱失控電池釋放出的熱量及時導(dǎo)出，制約了其散熱效果。因此，學(xué)者們對相變散熱進行了各種改進研究。KIZILEL等［19］利用石墨增加PCM的導(dǎo)熱性，在濫用條件下能夠有效阻止電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生。COLEMAN等［20］通過仿真驗證了相變材料與液冷散熱相結(jié)合的方式能夠有效抑制熱失控擴展。

2.3 閥泄通道設(shè)計

合理的閥泄通道設(shè)計能夠疏導(dǎo)火焰和高溫噴射物，避免直接加熱電池單體，阻止熱擴展。CHOW［21］和胡棋威［3］都為每個電池單體設(shè)計了閥泄通道，當(dāng)電池發(fā)生熱失控時，高溫噴射物與火焰通過閥通道泄出，避免高溫噴射物與火焰對周圍電池產(chǎn)生影響，從而阻斷熱失控的傳播。

2.4 應(yīng)急安全技術(shù)

應(yīng)急安全技術(shù)是指當(dāng)其他防護措施仍不能阻止熱失控擴展的發(fā)生時，通過主動噴射惰性氣體、制冷劑等，達到迅速降低電池溫度、熄滅火焰的目的。

胡棋威［3］研究了液氮噴淋的方式對熱失控擴展阻斷效果，結(jié)果表明：在合適的時機下，液氮產(chǎn)生的低溫惰性氣體能夠瞬間熄滅發(fā)生熱失控電池的火焰，同時給電池及高溫噴射物降溫，有效阻斷熱失控傳播。

PRILUTSKY和HERMANN［22］設(shè)計了裝有冷卻劑的噴淋管，噴淋管上的開閥點會因溫度的升高而開閥，當(dāng)電池發(fā)生熱失控時，噴淋管上的開閥點會自動打開同時噴淋冷卻劑對電池進行降溫滅火。

BANDHAUER和FARMER［23］設(shè)計了一種裝有冷卻劑的高壓罐，當(dāng)BMS發(fā)出熱失控信號時，高壓制冷劑通過設(shè)定的通道噴出，快速冷卻電池，阻止熱失控蔓延。

袁格年等［24］展示了一種主動滅火裝置，采用了一種清潔、無毒、可清理的滅火材料。當(dāng)火災(zāi)探測裝置感應(yīng)到危險信號，滅火裝置將立刻啟動，及時滅火，阻止熱擴散。

3 結(jié)論

熱阻隔是控制熱失控擴展的重要方式之一，隔熱材料以及隔熱裝置的設(shè)計是未來主要的研究方向。冷卻技術(shù)是保證電池能在正常的工作溫度范圍的前提，現(xiàn)在大部分研究是關(guān)于電池系統(tǒng)在正常工況下的散熱，而熱失控發(fā)生時空氣散熱有可能引入更多氧氣促進熱失控電池的燃燒，因此液冷散熱、相變散熱、應(yīng)急安全技術(shù)三者之間的耦合使用會更有前景。鋰離子動力電池的熱失控擴展防護是一個系統(tǒng)性工程，對電池組安全防護設(shè)計的同時要考慮穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、復(fù)雜性、實用性。目前有關(guān)熱失控擴展防護的研究大多是一些簡化的試驗和模擬仿真，應(yīng)綜合電池模組設(shè)計、散熱系統(tǒng)管理、安全設(shè)計等方面開展進一步的研究工作。