張志鴻，牟俊彥，孟玉發(fā)

(中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司，四川 資陽(yáng) 641300)

大功率混合動(dòng)力機(jī)車(chē)成熟產(chǎn)品及應(yīng)用較少，缺乏安全事故方面數(shù)據(jù)，但是動(dòng)力汽車(chē)行業(yè)已有大量安全事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。近年來(lái)汽車(chē)動(dòng)力電池事故均是由于電池組中的某一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致周?chē)姵貑误w受熱引發(fā)熱失控?cái)U(kuò)展[1]。熱失控不僅是發(fā)生安全性問(wèn)題的本質(zhì)原因，也成為了制約鋰離子電池性能表現(xiàn)的短板之一[2-3]。

鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控安全性事故發(fā)生有兩種情況，一種是電池系統(tǒng)長(zhǎng)期老化帶來(lái)的可靠性降低；另一種是突發(fā)事件造成電池系統(tǒng)損壞[4]。不斷發(fā)展的冷卻技術(shù)和BMS 技術(shù)保證了在正常情況下監(jiān)測(cè)電池的安全狀態(tài)，并進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)。但隨著該技術(shù)的復(fù)雜化、設(shè)備老化，系統(tǒng)的可靠性逐漸降低，以及不可預(yù)判的突發(fā)事件，該類(lèi)技術(shù)不能完全保證電池系統(tǒng)的安全[5]。需要在動(dòng)力電池系統(tǒng)中應(yīng)用熱失控?cái)U(kuò)展阻斷技術(shù)，當(dāng)所有安全防護(hù)技術(shù)失效且出現(xiàn)局部單體熱失控后防止引發(fā)其他單體熱失控，從而降低危害和損失。

造成鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э厥鹿实挠|發(fā)形式很多，其他觸發(fā)形式的機(jī)理分析都離不開(kāi)對(duì)于熱觸發(fā)機(jī)理的研究[6]。因此，文中通過(guò)指定電池系統(tǒng)內(nèi)單體熱失控，仿真計(jì)算電池系統(tǒng)溫度特性，探究模組內(nèi)部、電池包間熱失控傳播特性。

1 單體電池?zé)崾Э靥匦?/h2>

大量實(shí)驗(yàn)研究表明，電池?zé)崾Э剡^(guò)程有三個(gè)共性的特征溫度：電池自產(chǎn)熱起始溫度(T1)；熱失控觸發(fā)溫度(T2)，溫度達(dá)到T2后開(kāi)始發(fā)生熱失控，溫度驟升無(wú)法控制；熱失控后電池達(dá)到的最高溫度(T3)。

對(duì)于磷酸鐵鋰電池T1為80～160 ℃，T2為150～250 ℃[7]，單體絕熱環(huán)境熱失控以后的最高溫度大都不超過(guò)500 ℃，圖1為某磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э販囟惹€[8]。

圖1 某磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э谹RC測(cè)試溫度曲線[8]Fig.1 Temperature of LFP after thermal runaway obtained by ARC test[8]

在電池質(zhì)量m、比熱容cp已知的情況下，可根據(jù)電池?zé)崾Э販囟惹€(T-t曲線)計(jì)算得到電池?zé)崾Э剡^(guò)程生熱功率q，見(jiàn)式(1)。

絕熱測(cè)試中，當(dāng)電池溫度達(dá)到最高值以后不再生熱，溫度降低，計(jì)算熱失控生熱功率時(shí)只需考慮從自產(chǎn)熱到溫度最高這個(gè)過(guò)程。因此通過(guò)MATLAB編程提取了圖1中100%SOC電池?zé)崾Э販囟冗_(dá)到最高值前的數(shù)據(jù)。再將提取的離散點(diǎn)通過(guò)高斯函數(shù)擬合，擬合函數(shù)見(jiàn)式(2)，函數(shù)曲線見(jiàn)圖2。

圖2 擬合曲線與提取離散點(diǎn)Fig.2 Fitted curve and extracted discrete points

如圖2所示，擬合的函數(shù)曲線與提取值吻合較好。對(duì)擬合的溫度函數(shù)式(2)求導(dǎo)得到式(3)

根據(jù)電芯的比熱容、質(zhì)量及式(1)計(jì)算得到生熱功率如圖3所示。

圖3 單體熱失控生熱功率Fig.3 Heat power of cell with thermal runaway

2 模組內(nèi)電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)展研究

此次研究的大功率圓柱形鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)采用空調(diào)風(fēng)冷，動(dòng)力電池工作時(shí)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行將電池室內(nèi)冷卻循環(huán)空氣中的熱量帶走，保證電池在合理溫度范圍；動(dòng)力電池停止工作時(shí)空調(diào)機(jī)組停止運(yùn)行。

2.1 計(jì)算模型

單個(gè)模組為60(6×10)并10 串，因模組內(nèi)任意電芯熱失控后，受影響最大的為其周?chē)娦?，因此文中選取18(6×3)并3 串進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算模型及電芯標(biāo)記如圖4所示，圖中箭頭為冷卻風(fēng)流向。

圖4 模組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)展計(jì)算模型Fig.4 Calculation model for thermal runaway propagation in module

仿真計(jì)算中設(shè)定電芯2-9、2-10 發(fā)生熱失控，分析其他電芯的溫度變化，因計(jì)算域?yàn)閷?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，建立四分之一模型進(jìn)行計(jì)算。

在工況1(電池按額定功率持續(xù)運(yùn)行)、工況2(電池系統(tǒng)停止工作，空調(diào)機(jī)組停運(yùn))這兩種工況時(shí)熱失控后對(duì)其余電芯影響最大。使用Fluent軟件及其DO輻射傳熱模型進(jìn)行仿真計(jì)算，電芯表面與空氣進(jìn)行共軛傳熱(couple 邊界)，熱失控電芯生熱速率通過(guò)自定義函數(shù)(UDF)定義，其余相關(guān)設(shè)置見(jiàn)表1。

2.2 工況1熱失控?cái)U(kuò)展特性研究

圖5 為電芯2-9 開(kāi)始自生熱1186.5 s 后模組中第2 并電池中間截面空氣溫度分布及速度矢量圖。模組中并聯(lián)電芯間距為7 mm、2 mm 間隔排列，2 mm 間隙中布置有拉桿。冷卻風(fēng)主要從7 mm 縫隙中流過(guò)，2 mm 縫隙處幾乎無(wú)冷卻風(fēng)。在高溫電芯(2-9、2-10)表面極薄的一層空氣溫度有明顯變化，遠(yuǎn)離電芯表面空氣溫度幾乎無(wú)影響。

表1 仿真計(jì)算相關(guān)設(shè)置Table 1 Some settings related to simulation

圖5 t=1186.5 s電芯溫度分布云圖及速度矢量圖Fig.5 Temperature distribution and velocity distribution of cell at 1186.5 s

圖6 為各單體溫度曲線。電芯2-9 給定初始溫度80 ℃，其余電芯初始溫度為42 ℃。857.8 s 后電芯2-9 溫度為104.4 ℃，并未達(dá)到絕熱測(cè)試中的熱失控觸發(fā)溫度(150～250 ℃[7])，電芯2-9 不會(huì)發(fā)生熱失控。因定義了電芯2-9 生熱功率為絕熱測(cè)試的熱功率，電芯2-9 的溫度仍然驟升。但由于傳熱的影響，電芯2-9最高溫度為340 ℃，低于絕熱熱失控的最高溫度500 ℃。

圖7 為各單體溫度曲線放大圖，因電芯2-9 溫度升高，導(dǎo)致其周?chē)娦緶囟壬?，但所有電芯溫度均低于自生熱溫?80～160 ℃[7])。單體2-15、1-9溫度最高，其次為電芯2-3、1-15。因冷卻風(fēng)對(duì)電芯2-9 冷卻后，溫度升高，從而加熱了下游的電芯2-15，同時(shí)電芯2-9通過(guò)電池底座熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致電芯1-9 的溫度也明顯升高。電芯1-9 溫度升高后又造成電芯1-15溫度略微升高。電芯2-3雖然與熱失控電池2-9 很近，因處在電芯2-9 的上游，受空調(diào)風(fēng)冷的作用，其溫度較2-15、1-9 低，其熱源主要來(lái)自熱輻射。電芯2-8 雖然在2-9 旁邊，但間隙為7 mm，空調(diào)風(fēng)冷效果較好，其溫度也僅略微增加。其他區(qū)域電芯溫度近乎保持不變。

圖6 各單體溫度曲線Fig.6 Transient temperature of each cells

圖7 各單體溫度曲線放大圖Fig.7 Zoom in of transient temperature of each cells

在空調(diào)通風(fēng)冷卻情況下，少量電芯由于某種原因造成自生熱的熱量被冷卻風(fēng)帶走，電芯不會(huì)因?yàn)闊崃坷塾?jì)使得其溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度，熱失控將得到抑制。即使某顆電芯發(fā)生了熱失控也不會(huì)引發(fā)其他電芯熱失控，造成熱失控?cái)U(kuò)展。

2.3 工況2熱失控?cái)U(kuò)展特性研究

動(dòng)力電池系統(tǒng)停止工作、空調(diào)停機(jī)時(shí)單體2-9熱失控2504.4 s后模組中第2并電池中間截面空氣溫度分布及速度矢量見(jiàn)圖8，圖9 為各單體溫度曲線。

由于單體2-9 溫度升高，造成2-9 周?chē)諝鉁囟壬?、密度降低、產(chǎn)生向上的浮升力，空氣向上對(duì)流，如圖8 所示。向上對(duì)流的空氣對(duì)與2-9 并聯(lián)的電芯2-3 加熱，以及熱輻射的影響，電芯2-3 溫度升高，并出現(xiàn)熱失控。電芯2-3 熱失控后，與2-3串聯(lián)的1-3溫度升高然后熱失控。與2-9串聯(lián)的1-9 之所以較1-3 后出現(xiàn)熱失控，是因?yàn)樘幱谙路降碾娦臼芸諝鈱?duì)流冷卻的效果好于上方電芯，上方電芯周?chē)諝鉁囟让黠@高于下方電芯。

圖8 t=2504.4電芯截面溫度云圖及速度矢量Fig.8 Temperature distribution and velocity distribution of cell at 2504.4 s

圖9 各單體溫度曲線Fig.9 Transient temperature of each cells

工況2的仿真分析表明，某一顆電芯熱失控將會(huì)導(dǎo)致與其串聯(lián)和間距為2 mm的并聯(lián)電芯出現(xiàn)熱失控。因7 mm 間隙中間空氣對(duì)流冷卻效果較好，且仿真模型中電芯的數(shù)量較少，以上仿真過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)7 mm間隙的電芯出現(xiàn)熱失控，但不能排除相距7 mm 的電芯出現(xiàn)熱失控的可能性，主要原因如下：

（1）工況2的仿真可看出，隨著熱失控電芯數(shù)量的增加，空氣對(duì)流冷卻的效果變?nèi)?，熱失控單體的最高溫度逐漸增加，且發(fā)生熱失控單體的間隔時(shí)間逐漸變短；

（2）雖然相距7 mm間隙的電芯溫度并未達(dá)到自生熱溫度，但其溫度值仍在緩慢增加；當(dāng)相距2 mm 的并聯(lián)電芯及與其串聯(lián)的電芯熱失控達(dá)到一定數(shù)量，相距7 mm間的電芯溫度可能達(dá)到自生熱溫度；

因此，下一節(jié)將分析多個(gè)電芯熱失控后對(duì)與其間距為7 mm的并聯(lián)芯及上層電池包的影響。

3 多個(gè)電池單體熱失控?cái)U(kuò)展研究

3.1 計(jì)算物理模型

前面分析發(fā)現(xiàn)某一單體熱失控后將會(huì)引發(fā)與其串聯(lián)的電芯及與其間隔2 mm的并聯(lián)電芯發(fā)生熱失控。且現(xiàn)實(shí)中由于機(jī)械碰撞或外部短路，可能多顆電芯同時(shí)熱失控，若有相距7 mm的并聯(lián)電芯同時(shí)熱失控，則必然導(dǎo)致整個(gè)模組的熱失控。為了探究多個(gè)單體電芯熱失控在模組內(nèi)的擴(kuò)展特性，建立了如圖10 所示模型，假設(shè)模組內(nèi)某一列電芯同時(shí)熱失控(編號(hào)為0)，仿真分析與其間隔7 mm的并聯(lián)電芯是否發(fā)生熱失控，同時(shí)分析上一層電池包內(nèi)電芯是否發(fā)生熱失控。

圖10 電池包間熱失控?cái)U(kuò)展計(jì)算模型Fig.10 Calculation model for thermal runaway propagation in pack

初始條件設(shè)定圖10 中編號(hào)為0 的10 個(gè)單體電芯溫度為80 ℃，并施加圖3 所示的生熱功率。其余電芯初始溫度設(shè)定為40 ℃，無(wú)生熱功率，周?chē)諝鉁囟葹?0 ℃，其余相關(guān)設(shè)置參見(jiàn)表1工況2。

3.2 熱失控?cái)U(kuò)展特性

編號(hào)為0的10個(gè)電芯熱失控1582 s后其余電芯溫度見(jiàn)圖11，圖中1～10 對(duì)應(yīng)第1 列編號(hào)為1-1～1-10的10個(gè)電芯，11～20對(duì)應(yīng)第2列編號(hào)為2-1～2-10的10個(gè)電芯，21～26對(duì)應(yīng)上一層電池包編號(hào)為3-1～3-6 的6 個(gè)電芯。圖12 為中間截面的溫度云圖及速度矢量圖。

圖11 t=1582 s各電芯溫度Fig.11 Temperature of each cells at 1582 s

圖12 t=1582 s電池中間截面溫度云圖及速度矢量Fig.12 Temperature distribution and velocity distribution of each cell at 1582 s

從圖11 可知，第1 列的10 個(gè)電芯中除了最下方的2個(gè)電芯，其余電芯溫度均達(dá)到了自生熱溫度(80 ℃)。因冷卻空氣從下往上對(duì)流過(guò)程中溫度不斷升高，1-1～1-8的溫度逐漸增大；因兩個(gè)電池包間有較大的間隙，空氣擾動(dòng)增強(qiáng)了1-9、1-10 的冷卻效果(圖12)，其溫度略低于1-8。第2 列的10 個(gè)電芯(2-1～2-10)，溫度較均勻，溫升約為10 ℃。上層電池包的電芯3-1 直接受下層電池包高溫空氣對(duì)流加熱及熱失控電芯輻射傳熱的影響，其溫度已超過(guò)自生熱溫度。因此，下層電池包熱失控以后將會(huì)導(dǎo)致上層電池包的熱失控。

4 熱失控?cái)U(kuò)展阻斷設(shè)計(jì)方法初探

從電池模組、電池包、電池系統(tǒng)的角度出發(fā)，查閱到抑制熱失控?cái)U(kuò)展的方法有：保證安全的電池間距[8-9]、設(shè)置隔熱層[7]、電芯閥噴導(dǎo)流技術(shù)[10]、降低熱失控時(shí)內(nèi)短路釋放的總電能[7]、熱管理系統(tǒng)加強(qiáng)散熱[1]、應(yīng)急冷卻噴淋技術(shù)[1,10]、防爆泄壓裝置等[10]。大功率混合動(dòng)力機(jī)車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)電池單體數(shù)量巨大(達(dá)103200 個(gè)單體)，雖然外形達(dá)到2 m×4 m×2 m，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)依然緊湊，上述方法有些難以工程應(yīng)用。

電芯閥噴導(dǎo)流技術(shù)是將電池?zé)崾Э睾箝y噴的火焰、高溫可燃?xì)怏w及顆粒導(dǎo)出到模組或電池包外部，由于混合動(dòng)力機(jī)車(chē)電池系統(tǒng)體積、電芯數(shù)量龐大，該技術(shù)的應(yīng)用有待研究。研究表明[11]，SOC越低的電池，熱失控放熱量越低，引發(fā)失控?cái)U(kuò)展的概率也越低。但是，對(duì)于大功率混合動(dòng)力電池系統(tǒng)，難以精確地控制短路電芯在短時(shí)間內(nèi)放電到安全SOC范圍。

研究表明，對(duì)于圓柱形電池，電池間距較大時(shí)風(fēng)冷系統(tǒng)能夠抑制熱失控的擴(kuò)展[12]。前文仿真計(jì)算也發(fā)現(xiàn)，在空調(diào)機(jī)組強(qiáng)迫風(fēng)冷情況下，當(dāng)模組內(nèi)某一顆電芯熱失控后不會(huì)引發(fā)擴(kuò)展。文中研究的大功率混合動(dòng)力機(jī)車(chē)電池系統(tǒng)可在檢測(cè)到有少量電芯熱失控后控制空調(diào)機(jī)組以最大制冷量對(duì)電芯進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻?？紤]到管理系統(tǒng)可能無(wú)法及時(shí)識(shí)別電芯熱失控，而將每顆電芯間都設(shè)置隔熱層必然不可實(shí)現(xiàn)，因此在模組和電池包的層面布置隔熱層，減少受影響的電芯數(shù)量。同時(shí)在上下電池包間布置應(yīng)急冷卻噴淋裝置，防止下層電池包熱失控以后引發(fā)上層電池包熱失控。若前面措施無(wú)法避免大規(guī)模熱失控，通過(guò)在電池系統(tǒng)布置防爆泄壓閥及將電池系統(tǒng)布置在遠(yuǎn)離司機(jī)室區(qū)域來(lái)保障乘務(wù)人員安全。

5 結(jié) 論

（1）空調(diào)風(fēng)冷時(shí)，模組內(nèi)單顆電芯熱失控不會(huì)引發(fā)其他電芯熱失控。

（2）空調(diào)停運(yùn)時(shí)，模組內(nèi)某一單體熱失控以后會(huì)引發(fā)與其串聯(lián)的電芯及與其間距為2 mm的并聯(lián)電芯熱失控。

（3）模組內(nèi)一列并聯(lián)電芯同時(shí)熱失控以后會(huì)導(dǎo)致與其間距為7 mm的并聯(lián)電芯熱失控，以及引發(fā)上層電池包的熱失控。

（4）通過(guò)在模組間布置隔熱層、電池包間布置應(yīng)急冷卻裝置、當(dāng)檢測(cè)到某一單體熱失控加強(qiáng)空調(diào)冷卻，可抑制大功率混合動(dòng)力機(jī)車(chē)電池?zé)崾Э睾蟠笠?guī)模擴(kuò)展。同時(shí)將將電池室布置于遠(yuǎn)離司機(jī)室，電池系統(tǒng)安裝防爆泄壓裝置，以防前面措施失效并大規(guī)模熱失控后保障乘務(wù)人員安全。