白玉婷, 吳 桐, 胡海亭

1.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心, 黑龍江 哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150022

目前,電動(dòng)汽車(chē)選用的動(dòng)力電池基本上以鋰離子電池為主,該電池具有能量密度高的特性,尤其是三元鋰離子電池。但是在一定惡劣條件下會(huì)產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象,即在短時(shí)間內(nèi)釋放大量的熱量。鋰電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的安全問(wèn)題時(shí)常發(fā)生,故提高動(dòng)力電池的安全性迫在眉睫[1]。因三元鋰電池內(nèi)部材料和反應(yīng)的特殊性,且其對(duì)溫度較為敏感,溫度過(guò)高時(shí)會(huì)引發(fā)一系列反應(yīng),發(fā)生熱失控現(xiàn)象,引發(fā)安全事故[2-3]。

引起電池?zé)崾Э氐闹饕蛴袃?nèi)部短路、過(guò)充、過(guò)熱、擠壓、針刺等[4],近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始不斷探究三元鋰電池?zé)崾Э氐脑蚝蜋C(jī)理,并取得了一定成果。如王宏偉等[5]在不同環(huán)境溫度(-30、20、40 ℃)下,用3C電流對(duì)11 Ah的錳酸鋰電池進(jìn)行過(guò)充實(shí)驗(yàn),另外以1C電流對(duì)錳酸鋰電池進(jìn)行過(guò)放實(shí)驗(yàn),研究了錳酸鋰電池在不同環(huán)境溫度下的過(guò)充、過(guò)放特性及其失效機(jī)理。單明新等[6]以某款10 Ah的三元鋰離子電池為研究對(duì)象,分別以2C、3C、5C的過(guò)充電倍率進(jìn)行過(guò)充,分析過(guò)充條件下鋰離子電池爆炸強(qiáng)度的影響機(jī)理。OUYANG Dongxu等[7]以鎳鈷錳鋰電池與磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象,并將兩種電池分別過(guò)充至不同的截止電壓(4.2、4.5、4.8、5.0 V),然后采集過(guò)充過(guò)程中的電流、電壓、電池表面溫度、火焰溫度和輻射熱通量等數(shù)值,研究了過(guò)充條件下鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理。劉磊等[8]以某款26 Ah的三元鋰電池為研究對(duì)象,研究了三元鋰電池在不同充電倍率下過(guò)充安全特性。隨著充電電流增加,電池?zé)崾Э鼐驮娇彀l(fā)生,熱失控時(shí)的最高溫度越高,熱失控的起始溫度就越低。朱曉慶等[9]將實(shí)驗(yàn)用的三元鋰電池充滿電后,分別在2、1、1/2、1/3、1/5、1/8倍率下進(jìn)行充電,研究了三元鋰電池在不同充電倍率下的過(guò)充特性。Koch等[10]基于確定的電池?zé)崾Э貨_擊,選擇了一組各種可能的傳感器,并就其快速可靠的熱失控檢測(cè)能力進(jìn)行了比較。Yokoshima等[11]使用配有X射線掃描儀的鋰離子電池內(nèi)部短路觀察系統(tǒng),對(duì)穿透試驗(yàn)期間鋰離子電池的熱失控進(jìn)行了研究。

以上主要是針對(duì)熱失控產(chǎn)生的誘因及其內(nèi)在機(jī)理的研究,而對(duì)熱失控發(fā)生后如何實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè),及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),采取有效救援措施方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道,基于此,筆者通過(guò)在動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)電芯模組的上蓋內(nèi)集成導(dǎo)熱速率高的石墨片并增加一個(gè)溫度采集器,仿真分析了不同觸發(fā)位置發(fā)生熱失控時(shí),原有溫度采集器與新增采集器的升溫速率,新增溫度采集器的溫度升溫速率更快,該研究可提高動(dòng)力電池?zé)崾Э貦z測(cè)的及時(shí)性。

1 熱失控機(jī)理分析

1.1 熱失控的機(jī)理變化過(guò)程

當(dāng)電池內(nèi)部達(dá)到80 ℃時(shí),鋰離子電池正極高電勢(shì)金屬鋰離子會(huì)與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成少量氣體。溫度進(jìn)一步升高至90 ℃,負(fù)極固體電解質(zhì)界面(Solid electrolyte interphase,SEI)膜亞穩(wěn)定層逐漸轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定層,即SEI膜重構(gòu),該反應(yīng)是放熱反應(yīng),反應(yīng)速率與電池的溫度、電池剩余電量有關(guān)。當(dāng)高于120 ℃時(shí),SEI會(huì)發(fā)生分解,負(fù)極保護(hù)作用消失。當(dāng)溫度超過(guò)130 ℃時(shí),電池隔膜開(kāi)始熔化,內(nèi)部出現(xiàn)輕微短路,隨著隔膜的大面積熔化,正極材料與負(fù)極材料開(kāi)始劇烈反應(yīng)促使電解液燃燒,電池開(kāi)始熱失控。該反應(yīng)過(guò)程如圖1所示。由于熱失控的反應(yīng)特性,溫度可作為評(píng)判電池是否發(fā)生熱失控的依據(jù)。

圖1 電池?zé)崾Э胤磻?yīng)過(guò)程圖

動(dòng)力電池在觸發(fā)熱失控時(shí)的主要表現(xiàn)為電壓顯著降低、溫度迅速上升。判定熱失控的評(píng)價(jià)指標(biāo)有:(1)電壓降超過(guò)25%;(2)溫度大于閾值(60 ℃);(3)單位時(shí)間內(nèi)升溫速率≥1 ℃/s且保持該速率3 s以上。至少滿足兩個(gè)指標(biāo),即認(rèn)定為熱失控。本文就單位時(shí)間升溫速率及監(jiān)測(cè)時(shí)間為研究對(duì)象進(jìn)行改進(jìn)研究。

1.2 熱失控檢測(cè)的難點(diǎn)

電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)是根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的工作電壓范圍以及整車(chē)行駛里程目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的電壓和電量,最終需要大量的電池單體進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)達(dá)到要求。現(xiàn)在主流的電動(dòng)汽車(chē)額定電壓為355 V,以三元鋰電池單體電壓為3.7 V為例,需要96串,根據(jù)電量要求不同可能會(huì)有一并或多并的連接方式,那么動(dòng)力電池系統(tǒng)的電池單體數(shù)量需要96支到幾百支單體電芯組成。在評(píng)判電池是否發(fā)生熱失控時(shí),溫度的獲取是通過(guò)溫度傳感的采集信號(hào)獲取,對(duì)于電池溫度的采集并不會(huì)每個(gè)電芯都進(jìn)行單獨(dú)的溫度采集,原有的溫度采集只能感應(yīng)部分單體電芯的溫度變化,對(duì)距離溫度傳感器較遠(yuǎn)電池的溫度變化感應(yīng)較慢。在檢測(cè)熱失控時(shí)有兩個(gè)難點(diǎn),一是熱失控檢測(cè)的準(zhǔn)確性,若造成誤判,會(huì)造成恐慌并降低對(duì)該車(chē)型的信任度,同時(shí)會(huì)因?yàn)檎`執(zhí)行防控措施導(dǎo)致整車(chē)部分功能不能正常運(yùn)行;二是熱失控檢測(cè)的及時(shí)性,若熱失控觸發(fā)后檢測(cè)不及時(shí),會(huì)延遲向整車(chē)發(fā)送信號(hào),導(dǎo)致乘客不能第一時(shí)間離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng),再就是防控措施不及時(shí),無(wú)法有效抑制熱失控,最終可能導(dǎo)致整車(chē)著火。

2 結(jié)構(gòu)模型的搭建

傳統(tǒng)的溫度傳感器采集位置如圖2所示,該模組由12支單體電池組成,2個(gè)溫度傳感器進(jìn)行溫度采集。根據(jù)電池模組初期的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行熱仿真分析和產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試結(jié)果,該采集位置涵蓋的電池單體的最高溫度和最低溫度,具有代表性。

圖2 傳統(tǒng)電池組溫度采集布置圖

該采集方式可以涵蓋整個(gè)電池組常規(guī)工作時(shí)的溫度分布范圍,但是對(duì)于熱失控狀態(tài)時(shí),若距離溫度傳感器較遠(yuǎn)位置的電池觸發(fā)熱失控時(shí)通過(guò)熱蔓延到溫度采集點(diǎn)處需要時(shí)間較長(zhǎng),這樣會(huì)影響溫度采集的及時(shí)性。

本文針對(duì)現(xiàn)有電池組的問(wèn)題提出改進(jìn),當(dāng)電池觸發(fā)熱失控時(shí)會(huì)在電池的防爆處泄氣,排除溫度較高的混合物氣體,首先高溫氣體會(huì)流經(jīng)電池組上面的蓋板,將蓋板做成三層的“三明治”結(jié)構(gòu),中間層采用高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨片,在石墨片的中間位置增加一個(gè)溫度傳感器,任意一支電池觸發(fā)熱失控蓋板都會(huì)迅速升溫,蓋板內(nèi)的石墨由于有高導(dǎo)熱性能的特性,其內(nèi)部的傳感器會(huì)快速采集溫升到達(dá)評(píng)判熱失控的閾值,從而實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)的目的。

本文參考某電池公司公布的電池系統(tǒng)布置方案為例進(jìn)行分析,該結(jié)構(gòu)共有6個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域由兩個(gè)電池組組成,每個(gè)電池組為9支單體電池,共108支單體電池。本文以其中一個(gè)電池組即9支單體電池進(jìn)行分析。如圖3所示。

建立的結(jié)構(gòu)3D模型如圖4所示。模型中包括9支單體電池、連接排、上下蓋板、石墨片、3個(gè)溫度傳感器、傳感器空氣域,其中排氣孔作用是將電池系統(tǒng)熱失控時(shí)產(chǎn)生的氣體排到系統(tǒng)外部,防止內(nèi)部壓力過(guò)大導(dǎo)致爆炸,該裝置亦稱防爆閥。模型中傳感器1和傳感器2的布置方式與傳統(tǒng)電池模組一致,即傳感器1在端部,傳感器2在中間,而本研究中所加入的傳感器3則布置在石墨片的中心位置。由于電池單體熱失控位置隨機(jī),但石墨片高導(dǎo)熱性可快速感知溫度變化,因此當(dāng)傳感器1、2失效時(shí),位于電池中心與石墨相連的傳感器3可快速檢測(cè)溫度變化,判斷是否觸發(fā)熱失控。

圖3 電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布圖圖4 結(jié)構(gòu)模型分布圖

3 仿真模型搭建與計(jì)算

電池?zé)崾Э胤治鲞^(guò)程中,以電池產(chǎn)氣信息為主要分析邊界條件。YUAN Liming等[12]、ESSL等[13]研究了不同類型電池在熱失控時(shí)產(chǎn)氣特性和產(chǎn)氣成分,表明產(chǎn)氣主要成分是碳?xì)浠旌衔?。本文以某品?60 Ah容量的電池為例,模擬分析熱失控時(shí)的產(chǎn)氣量和發(fā)熱量。該電池失控時(shí)產(chǎn)生氣體成分見(jiàn)表1。

表1 電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣成分

實(shí)測(cè)電池總產(chǎn)氣量為220 L,根據(jù)表1里的氣體成分及比例,利用氣體摩爾量,計(jì)算產(chǎn)氣的質(zhì)量流量速率,并將其作為邊界條件計(jì)算產(chǎn)氣流動(dòng)的流程和換熱溫場(chǎng)。

仿真模型中各材料的特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)零件熱特性參數(shù)

仿真模型工作的環(huán)境溫度為23 ℃,運(yùn)行時(shí)間20 s。本文以傳感器3為起點(diǎn)由近及遠(yuǎn)選擇3個(gè)觸發(fā)位置進(jìn)行仿真驗(yàn)證,對(duì)比3個(gè)溫度傳感器溫度升至閾值。由于電池單體產(chǎn)生熱失控是隨機(jī)發(fā)生的,是由某個(gè)電池單體自身質(zhì)量問(wèn)題、電池在受到外部撞擊等機(jī)械損傷以及保護(hù)策略失效導(dǎo)致的,所以本文選取3個(gè)觸發(fā)位置通過(guò)仿真分析來(lái)驗(yàn)證,如圖5所示,分別是inlet1、inlet2和inlet3。

圖5 熱失控觸發(fā)位置分布圖

通過(guò)仿真得出3個(gè)觸發(fā)位置對(duì)應(yīng)的溫度傳感器的溫升曲線如圖6所示,其中inlet代表觸發(fā)位置對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),T sensor代表不同傳感器的數(shù)據(jù)。電池組溫度云圖如圖7所示。

圖6 不同觸發(fā)位置傳感器溫升曲線圖

圖7 不同觸發(fā)位置在20 s時(shí)溫度云圖

根據(jù)圖6得出,當(dāng)觸發(fā)電池在不同位置時(shí),不同的傳感器響應(yīng)的時(shí)間不同,見(jiàn)表3。當(dāng)在特定的觸發(fā)位置時(shí),增加的石墨層傳感器3會(huì)比原有的傳感器響應(yīng)速度更快,以觸發(fā)inlet2為例會(huì)快3.4 s,以觸發(fā)inlet3為例會(huì)快13.5 s,甚至更長(zhǎng),以觸發(fā)inlet1為例會(huì)比原有傳感器慢2.7 s。

表3 不同觸發(fā)位置各溫度傳感器采集時(shí)間

4 結(jié)論

本文通過(guò)在動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)電芯模組的上蓋內(nèi)集成石墨片并增加一個(gè)溫度采集器的方法,對(duì)比分析了不同觸發(fā)位置發(fā)生熱失控時(shí)各溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間,溫度采集器1的響應(yīng)時(shí)間均大于20 s,溫度采集器2的響應(yīng)時(shí)間分別為0.9 s、8.1 s、大于20 s,溫度采集器3的響應(yīng)時(shí)間分別為3.6、4.7、6.5 s。新增傳感器3的響應(yīng)時(shí)間除觸發(fā)位置1時(shí),比傳感器2慢2.7 s,其余均比原有傳感器響應(yīng)速度至少快3.4 s。該研究可為救援工作贏取寶貴的時(shí)間。

本研究工作的開(kāi)展,可及時(shí)判斷熱失控的產(chǎn)生,縮短報(bào)警信號(hào)發(fā)出時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電池?zé)崾Э氐目焖贆z測(cè),后期期望在此基礎(chǔ)上優(yōu)化溫度傳感器的布置位置以及數(shù)量,積累有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)推動(dòng)動(dòng)力電池智能檢測(cè)與裝備應(yīng)用具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值及實(shí)際意義。