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        電池?zé)崾Э胤雷o(hù)方案仿真分析

        2021-10-11 10:14:04焦紅星張延星李甲
        汽車工程師 2021年9期
        關(guān)鍵詞:電芯失控模組

        焦紅星 張延星 李甲

        (1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院2.宇通客車新能源技術(shù)部3.海馬汽車有限公司)

        兼具高比容量、長壽命及環(huán)保等優(yōu)勢的鋰離子電池可以滿足人們對微型電子設(shè)備所需要的電池小型化、輕量化及環(huán)保的多重要求,也是未來動力電池和儲能電池的理想能源[1-2]?!吨袊圃?025》指出,2020 年電池能量密度達(dá)到300 Wh/kg;2025 年電池能量密度達(dá)到400 Wh/kg;2030 年電池能量密度達(dá)到500 Wh/kg。電池包能量密度的增加,不可逆反應(yīng)熱會增加熱失控風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。熱失控是指電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象[5]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對電池?zé)崾Э剡M(jìn)行了較多研究[6-10]。文獻(xiàn)[11]通過試驗(yàn)研究了動力電池單體電芯在過溫、過充及內(nèi)短路等極端情況下的溫度和電壓變化,提出改善電池安全性的建議。當(dāng)一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控之后,其相鄰單體受影響后也相繼發(fā)生熱失控,導(dǎo)致熱失控蔓延,最終引發(fā)安全事故。因此,對電芯、模組熱擴(kuò)散行為進(jìn)行研究,找到有效的防護(hù)方法,提升新能源汽車安全性是非常重要的[12]。

        1 鋰離子電池?zé)崾Э卣T因

        鋰電池發(fā)熱失控的因素分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要是:電池生產(chǎn)缺陷導(dǎo)致內(nèi)短路,電池使用不當(dāng),導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生鋰枝晶引發(fā)正負(fù)極短路。外部因素主要是:電池使用過程中出現(xiàn)的問題,比如過充、高溫使用、擠壓及碰撞等。其中過充和內(nèi)短路是鋰離子電池?zé)崾Э刈畛R姷脑?。文章利用加熱方式引發(fā)電芯熱失控,探究電芯失控形式、溫度及位置等信息,利用Starccm+仿真軟件搭建模型,驗(yàn)證試驗(yàn)準(zhǔn)確性,并研究了相鄰電芯之間防火隔熱材料、模組防火罩對電芯熱失控的影響。

        2 電芯熱失控試驗(yàn)研究

        2.1 試驗(yàn)對象

        試驗(yàn)對象為某電池廠家生產(chǎn)的標(biāo)稱容量為40 Ah的三元軟包電芯。

        2.2 電芯熱失控測試

        充電:若單體Umax<3.81 V,以0.5C 倍率恒流充電;若單體3.81 V≤Umax<3.977 V,則以0.25C 倍率恒流充電;若單體3.977 V≤Umax<4.06 V,則以0.2C 倍率恒流充電;若Umax≥4.06 V,則以0.1C 恒流充電至4.15 V,至SOC 為100%,延時(shí)5 s 結(jié)束充電。

        電芯1 熱失控測試方案:設(shè)定加熱膜加熱功率為200 W 對電芯進(jìn)行加熱,直至電芯發(fā)生熱失控,監(jiān)測電池溫度變化,每1 s 采集1 次溫度信號。

        電芯2 熱失控測試方案:設(shè)定加熱膜加熱功率為200 W 對電芯進(jìn)行加熱,當(dāng)電芯底部溫度達(dá)到120℃,停止加熱。觀察電芯溫度變化情況,若電池溫度下降,開啟加熱功能將電池底部溫度加熱至160℃,停止加熱。觀察電芯溫度變化情況,若電池溫度下降,開啟加熱功能將電池底部溫度加熱至200℃,停止加熱。觀察電芯溫度變化情況,若電池溫度下降,開啟加熱功能將電池底部溫度加熱至240℃,停止加熱。以此類推,直至電池能夠自發(fā)溫升至失控,監(jiān)測電池溫度變化,每1 s采集1 次溫度信號。

        2.3 電芯熱失控試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2 個(gè)失控電芯一個(gè)從極耳噴射,一個(gè)從側(cè)邊噴射,噴射位置不同。從觸發(fā)失控鼓脹到開始噴射起火間隔時(shí)間較短,幾乎同時(shí)發(fā)生。

        電芯1 在電芯上表面布置3 個(gè)溫度傳感器T1、T2和T3,加熱膜布置在電芯下表面,如圖1 所示,電芯加熱至1 138 s,發(fā)生自發(fā)反應(yīng),溫度呈下降趨勢,至1 198 s,電芯發(fā)生完全失控,電芯溫度瞬間上升至500℃,迅速完成燃燒過程,燃燒持續(xù)時(shí)間約200 s,電芯1 在發(fā)生失控鼓脹后從極耳處噴射火焰。

        圖1 電芯1 熱失控結(jié)果

        電芯2 上表面布置3 個(gè)溫度傳感器,加熱膜布置在電芯下表面,中間布置2 個(gè)溫度傳感器,極耳處布置1 個(gè)溫度傳感器監(jiān)測外焰溫度,如圖2 所示。電芯分別加熱至120℃、160℃及200℃,電芯均未發(fā)生自發(fā)失控;當(dāng)電芯溫度上升至240℃時(shí),時(shí)間為1 345 s,電池開始發(fā)生自發(fā)失控,至1 385 s 電芯發(fā)生完全失控,電芯表面溫度迅速上升至最高700℃,燃燒持續(xù)時(shí)間約200 s,電芯在發(fā)生失控鼓脹后從側(cè)邊噴射火焰。

        圖2 電芯2 熱失控結(jié)果

        從以上試驗(yàn)可以看出,當(dāng)電芯之間沒有阻燃性材料,發(fā)生熱失控的電芯會將火焰引入相鄰電芯,相鄰電芯迅速達(dá)到熱失控溫度發(fā)生熱失控,并依次循環(huán)直至所有電芯全部失控燃燒完。從第1 個(gè)電芯開始,相鄰電芯發(fā)生熱失控的時(shí)間間隔越來越短,至第5 和第6 個(gè)電芯熱失控幾乎同時(shí)發(fā)生,這是由于隨著電芯熱失控的進(jìn)行,通過熱傳導(dǎo)或?qū)α鞯姆绞竭h(yuǎn)處電芯已達(dá)到極高的溫度(接近電芯熱失控溫度或達(dá)到電芯分解的溫度),當(dāng)前1 個(gè)電芯發(fā)生失控的同時(shí),相鄰高溫電芯會快速達(dá)到失控溫度發(fā)生失控。

        防護(hù)方案有以下2 種:

        1)相鄰電芯用阻燃材料包裹(特別是電芯失控后容易發(fā)生噴射的位置,如軟包電芯極耳處),達(dá)到隔絕火焰的作用,失控電芯與相鄰電芯僅能通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量,加上電芯之間的隔熱材料減少熱傳導(dǎo)帶來的熱量傳遞,從而達(dá)到隔火隔熱的作用,降低相鄰電芯發(fā)生熱失控的概率;

        2)在模組外側(cè)增加防火罩,可以將模組發(fā)生失控時(shí)噴射的火焰進(jìn)行控制,按照固定的方向和位置噴出,防止引燃其他模組,同時(shí)可以防止燒穿箱體引燃電池箱體外部部件。

        3 仿真驗(yàn)證

        利用Starccm+仿真軟件搭建模組外側(cè)增加防火罩,利用方式引發(fā)電芯熱失控,研究防火罩對模組熱失控影響。圖3 為模組外側(cè)阻燃罩模型及電芯排布模型。

        圖3 模組阻燃模型及電芯排布模型

        熱失控電芯、模組采用加熱方式,共計(jì)18 根熱電偶。其中,模組內(nèi)布置13 個(gè)熱電偶,模組外在防護(hù)罩表面布置5 個(gè)熱電偶,如圖4 和表1 所示。

        圖4 熱電偶布置位置

        表1 熱電偶編號、布置位置

        3.1 相鄰電芯無阻燃材料熱失控仿真分析

        模擬電池起火燃燒需要定義輸入條件。單體鋰電池主要由電解液、隔膜、正負(fù)極及隔膜組成。按照表2中參數(shù)輸入,建立與實(shí)際電芯結(jié)構(gòu)接近的物理模型如圖5 所示。

        表2 電芯材料熱力學(xué)參數(shù)

        圖5 相鄰電芯無阻燃材料模型

        相鄰電芯之間無阻燃防火措施,測試結(jié)果如圖6、圖7 所示,當(dāng)一個(gè)電芯發(fā)生失控,電解液噴射燃燒,會直接作用在相鄰電芯,造成連續(xù)引燃。從第1 個(gè)電芯開始,相鄰電芯發(fā)生熱失控的時(shí)間間隔越來越短,至第5和第6 個(gè)電芯熱失控幾乎同時(shí)發(fā)生,這是由于隨著電芯熱失控的進(jìn)行,通過熱傳導(dǎo)或?qū)α鞯姆绞绞惯h(yuǎn)處電芯已達(dá)到極高的溫度(接近電芯熱失控溫度或達(dá)到電芯分解的溫度),當(dāng)前1 個(gè)電芯發(fā)生失控的同時(shí),相鄰高溫電芯會快速達(dá)到失控溫度發(fā)生失控。

        圖6 相鄰電芯無阻燃材料熱失控過程溫度場

        圖7 相鄰電芯無阻燃材料模組熱失控溫升

        當(dāng)電芯發(fā)生連續(xù)熱失控,防火罩表面溫度場如圖8、圖9 所示,防火罩表面最高溫度363℃,完全通過與模組殼體的直接接觸傳熱,該溫度不會使阻燃材料燃燒或失效(阻燃材料失效溫度>1 000℃),起了隔絕火焰的作用,避免引燃相鄰模組。

        圖8 相鄰電芯無阻燃材料熱失控過程防火罩溫度場

        圖9 相鄰電芯無阻燃材料模組熱失控防火罩溫升

        3.2 相鄰電芯之間防火隔離仿真分析

        按照相鄰電芯間無阻燃材料模型邊界條件搭建增加阻燃材料模型,如圖10 所示。

        圖10 相鄰電芯增加阻燃材料模型

        相鄰電芯用阻燃材料包裹,起到了隔絕火焰的作用,失控電芯與相鄰電芯僅通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量,加上電芯之間的隔熱材料減少熱傳導(dǎo)帶來的熱量傳遞,從而達(dá)到隔火隔熱的作用,相鄰電芯未達(dá)到熱失控溫度,如圖11、圖12 所示。

        圖11 相鄰電芯增加阻燃材料熱失控過程溫度場

        圖12 相鄰電芯增加阻燃材料模組熱失控溫升

        當(dāng)電芯未發(fā)生連續(xù)失控,阻燃材料表面溫度如圖13、圖14 所示,阻燃材料表面最高溫度240℃,完全通過與模組殼體直接接觸傳熱,該溫度不會使阻燃材料燃燒或失效,起了隔絕火焰的作用,避免引燃相鄰模組。

        圖13 相鄰電芯增加阻燃材料模組熱失控防火罩溫度場

        圖14 相鄰電芯增加阻燃材料模組熱失控防火罩溫升

        4 結(jié)論

        相鄰電芯用阻燃材料包裹,起到了隔絕火焰的作用,相鄰電芯未達(dá)到熱失控溫度。阻燃材料表面最高溫度240℃,完全通過與模組殼體的直接接觸傳熱,該溫度不會使阻燃材料燃燒或失效,起了隔絕火焰的作用,避免引燃相鄰模組。仿真結(jié)果為電池包熱擴(kuò)散防護(hù)提供理論基礎(chǔ),節(jié)約設(shè)計(jì)成本,縮短項(xiàng)目周期。

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