0 前言

新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線明晰，市場空間廣闊，對(duì)促進(jìn)實(shí)體經(jīng)濟(jì)、擴(kuò)張戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、擴(kuò)大居民消費(fèi)、推動(dòng)綠色低碳發(fā)展等諸多任務(wù)目標(biāo)起到牽引和協(xié)同的作用，受到了各級(jí)政府、資本市場和產(chǎn)業(yè)主體的高度關(guān)注，匯集了大量的資源和要素。2015年以來，我國新能源汽車市場規(guī)模保持了60%左右的年均增速。2021年中國新能源汽車成為汽車行業(yè)最大亮點(diǎn)，連續(xù)7年銷量全球第一。截至2021年底，全國新能源汽車保有量達(dá)784萬輛，占汽車總量的2.6%。未來新能源汽車還將在中長期作為整個(gè)汽車市場增長的支撐因素和重要增長點(diǎn)持續(xù)存在，按照《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，到2025年我國新能源汽車年銷量預(yù)計(jì)為530萬輛，新能源汽車保有量將達(dá)2 000萬輛。

然而，隨著我國新能源汽車保有量日趨增高，由此帶來的車輛自燃、電池性能衰減、車輛充電故障等汽車安全問題已不容忽視。截至2021年底，我國已累計(jì)召回新能源汽車229次，涉及198萬輛。僅2021年，國內(nèi)新能源汽車?yán)塾?jì)召回559 241輛，同比暴增1 103.99%，占召回總量6.4%，其中因動(dòng)力電池缺陷而召回的新能源車型，涉及多個(gè)汽車品牌，召回?cái)?shù)量共計(jì)73 743輛。電芯熱失控是動(dòng)力電池故障的主要原因之一，因此通過采集特征參數(shù)，研究電芯熱失控及在模組范圍內(nèi)熱擴(kuò)展的特性至關(guān)重要

。

目前，鋰電池電芯封裝形式主要有方形、圓柱和軟包三種，不同的封裝結(jié)構(gòu)具有不同的特性，近些年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同封裝形式的電池?zé)崾Э匦袨檫M(jìn)行了較多研究

。方形鋰電池通常是以鋁或鋼作為外殼材料，因其具有高封裝可靠度、系統(tǒng)高能量效率、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)具有更為廣泛的市場應(yīng)用空間，因此，本文以采用三元材料（NCM523）的方形電芯構(gòu)成的動(dòng)力電池系統(tǒng)作為研究對(duì)象，選擇加熱作為熱失控觸發(fā)方式，通過采集不同位置的溫度、電壓等特征參數(shù)，分析研究熱失控發(fā)生及擴(kuò)展特性，以期為動(dòng)力電池系統(tǒng)監(jiān)控及保護(hù)策略設(shè)置奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)對(duì)象與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本文試驗(yàn)對(duì)象為149×27×92 mm方形電芯組成的電池系統(tǒng)，額定容量為80Ah，試驗(yàn)前電池系統(tǒng)的SOC為95%，其主要信息參數(shù)如表1所示。

電池系統(tǒng)內(nèi)部模組串接編序、模組溫度采樣點(diǎn)位置的實(shí)物圖見圖1，示意圖見圖2。自電池系統(tǒng)的總負(fù)極至總正極的模組編號(hào)依次為M1-M6，電編號(hào)依次為C1-1、C1-2到C24-1、C24-2，在水平面上呈兩排并行分布，其對(duì)應(yīng)的電壓編號(hào)分別為V1-V24。單節(jié)電芯的正、負(fù)極通過銅鎳復(fù)合板并聯(lián)成組，電壓采集點(diǎn)布置于各電芯組的極耳連接處，模組之間無隔熱防護(hù)材料。觸發(fā)電芯為電池系統(tǒng)右側(cè)中間位置的C5-1電芯，在C5-1電芯所在的模組M2（包含C5-1、C5-2到C8-1、C8-2總計(jì)8個(gè)電芯）的各電芯側(cè)平面中間位置額外布置溫度采樣點(diǎn)，編號(hào)為T32-T25。T33為加熱片溫度采樣點(diǎn)，空間上T32-T25距離T33為由近及遠(yuǎn)。

2)監(jiān)測點(diǎn)溫度達(dá)到規(guī)定的最高工作溫度。

1.2 試驗(yàn)方法

本文選用加熱的方式作為熱失控觸發(fā)方式，將加熱膜布置于C5-1電芯的側(cè)平面。GB38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》附錄C中的加熱裝置功率要求如表2所示，當(dāng)觸發(fā)對(duì)象電能E＜100 Wh，加熱裝置最大功率選擇范圍為30～300 W

。為便于觀測熱失控過程前后的參數(shù)變化情況，選取加熱裝置的最大功率為300 W。為觀察熱失控后引發(fā)熱擴(kuò)展情況，試驗(yàn)前打開電池系統(tǒng)上蓋板；設(shè)置溫度、電壓采樣頻率為1 Hz，開始記錄時(shí)間為15:02:08，電芯加熱起始時(shí)間為15:02:28。觸發(fā)電芯熱失控的判斷條件如下：

在前期研究基礎(chǔ)上[21-23]，本研究以天然菱鎂礦為原料制備重鎂水溶液，并以此為前驅(qū)溶液，利用熱分解法制備晶須，主要考察熱分解時(shí)間、重鎂水溶液濃度和攪拌速率對(duì)晶體組成和形貌的影響，并分析了結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程。

2.4 高層次創(chuàng)新型文化人才缺乏。大部分民族地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)吸引文化人才的載體不足、機(jī)制不健全、引進(jìn)和留住人才的經(jīng)費(fèi)投入不 足等各方面原因影響，導(dǎo)致了對(duì)文化高層次人才的吸附、承載作用偏低。因此，外地人才流進(jìn)來比較少，本地高素質(zhì)人才外流相對(duì)較多。另外，存在人才使用上專業(yè)不對(duì)口，人才崗位與所學(xué)專業(yè)不匹配等問題，創(chuàng)新度低，人才配置不符或浪費(fèi)嚴(yán)重。

對(duì)醫(yī)藥類院校在省域中的排名情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，僅有1所高校(寧夏醫(yī)科大學(xué))在省排名中位居第1，占醫(yī)藥類評(píng)價(jià)高?？倲?shù)的1.64%(1/61)；18所高校在各自的省排名中位居前5名，占醫(yī)藥類評(píng)價(jià)高?？倲?shù)的29.51%(18/61)；37所高校在各自的省排名中位居前10名，占醫(yī)藥類評(píng)價(jià)高?？倲?shù)的60.66%(37/61)；詳見圖2。整體上，在省排名中表現(xiàn)領(lǐng)先的醫(yī)藥類院校數(shù)量相對(duì)較少，醫(yī)藥類院校在省域高校中的綜合競爭力水平并不突出。

吸附法使用的吸收劑應(yīng)具有較大的吸附容量和均勻的吸附孔徑，且易再生。吸附劑一般可分為無機(jī)和有機(jī)吸附劑兩類，實(shí)際應(yīng)用中無機(jī)吸附劑更為普遍。目前報(bào)道的VOCs吸附劑主要包括：活性炭、分子篩、活性炭纖維、有機(jī)吸附劑等幾大類[6]。

基于相鄰電芯的采樣數(shù)據(jù)，在觸發(fā)電芯熱失控后，鄰近電芯V6、V7、V8的電壓-時(shí)間曲線如圖7所示。V6、V7、V8的電壓分別在熱失控發(fā)生后58 s、178 s、305 s降至0 V；并且V6從4V降至0V經(jīng)過12 s，V7從4V降至0V經(jīng)過14 s，V8從4V降至0V經(jīng)過68 s。這與V6、V7、V8距離觸發(fā)電芯V5的位置遠(yuǎn)近有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明熱失控由V5位置處逐漸向外擴(kuò)散。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)進(jìn)程

試驗(yàn)進(jìn)程中各關(guān)鍵事件發(fā)生時(shí)間節(jié)點(diǎn)與實(shí)物照片如圖3所示。

由圖3可知，對(duì)電芯開始加熱前20 s打開溫度、電壓采樣記錄儀，加熱開始后1 874 s出現(xiàn)迸發(fā)火焰，電芯熱失控后迅速誘發(fā)電池系統(tǒng)起火，隨著熱失控?cái)U(kuò)展不斷有新的電芯發(fā)生熱失控并形成火勢迅速蔓延，伴隨火焰迸濺火勢不斷增大，且有大量黑色煙霧冒出，逐漸充滿整個(gè)電池系統(tǒng)并持續(xù)燃燒，火焰高度約為1.5 m，溫度最高超過1 200℃，881 s后開始沉水滅火，過程中火焰熄滅后又發(fā)生復(fù)燃5次，最終火焰完全熄滅后有大量水泡，表明電池在繼續(xù)釋放氣體。

2.2 被加熱電芯采樣特征分析

基于電芯層面的采樣數(shù)據(jù)，選取自采樣開始后1~1 950 s階段、1 760~1 950 s階段，對(duì)觸發(fā)電芯進(jìn)行分析，其溫度、電壓及溫升速率-時(shí)間曲線如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4、圖5、圖6可知：

1）自采樣開始到加熱開始中間有20 s，此為前置時(shí)間。加熱開始后第50 s，觸發(fā)電芯（C5-1）側(cè)面的加熱膜溫度信號(hào)T33達(dá)到該電池系統(tǒng)的最高工作溫度55℃；第918 s觸發(fā)電芯的另一側(cè)面溫度信號(hào)T32達(dá)到55℃；第1 760 s，觸發(fā)電芯的電壓值V5由4.04 V驟降至0 V，此時(shí)T33已達(dá)到320.6℃，T32已達(dá)到99.8℃。

3)監(jiān)測點(diǎn)的溫升速率dT/dt≥1 °C/s，且持續(xù)3 s以上。

熱失控?cái)U(kuò)散過程中電芯電壓出現(xiàn)的波動(dòng)，其原因除電芯內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)以外，還可能是因?yàn)槟＝M內(nèi)完全熱失控并非一蹴而就，未完全失控電芯為平衡電壓變化，對(duì)電壓變低的電芯進(jìn)行了補(bǔ)電。當(dāng)整個(gè)模組完全熱失控時(shí)，V6、V7、V8的電壓才趨穩(wěn)于0 V。

本次研究患者腸內(nèi)營養(yǎng)采用百普力(生產(chǎn)廠家:紐迪希亞制藥(無錫)有限公司,國藥準(zhǔn)字:H20010285),腸外營養(yǎng)配方為:非蛋白熱量50%,糖類50%,熱氮比為100:1,其中脂肪乳劑為20%力能,含1:1的中長鏈脂肪乳。

3）在觸發(fā)熱失控之前，T33的溫升速率較T32更高，T33的溫度-時(shí)間曲線呈波浪式攀升，T32的溫度-時(shí)間曲線較為勻速地上升。而在熱失控之后，T32的溫升速率急劇攀升超過T33，這可能是因?yàn)橛|發(fā)電芯熱失控瞬間，火焰迸發(fā)的位置更貼近T32處，使得T32的溫度在短時(shí)間迅速上升，具體為55 s內(nèi)由145.8℃上升至738.7℃，最大溫升速率達(dá)到了90.1℃/s。

2.3 相鄰電芯采樣特征分析

當(dāng)1)和3)或2)和3)發(fā)生時(shí)，判定發(fā)生單體熱失控。

2）加熱開始后第1 873~1 875 s，T33和T32的溫升速率dT/dt連續(xù)3 s大于1℃/s，分別為2.4℃/s、1.9℃/s、1.5℃/s，2.5℃/s、12.2℃/s、22.9℃/s，觸發(fā)熱失控判斷條件。因此，加熱開始后第1 875 s（即自采樣開始第1 895 s）可認(rèn)為是熱失控發(fā)生起點(diǎn)，該點(diǎn)的T33溫度值為334.4℃，T32溫度值為145.8℃。

為保護(hù)機(jī)組不超壓,防喘振控制系統(tǒng)設(shè)置了一條出口壓力上限安全線（PAH），當(dāng)壓力到達(dá)安全線（PAH）時(shí),旁路閥快速打開，限制出口壓力，同時(shí)DCS上將旁路閥閥開度鎖定在100%上，入口導(dǎo)流葉片閥開度鎖定在0%上，壓縮機(jī)卸載。

T25、T26、T27、T28、T29、T30、T31的溫度-時(shí)間曲線如圖8所示。電芯采樣點(diǎn)T31、T30、T29、T28、T27、T26、T25，在溫度上升的階段表現(xiàn)上有著較為明顯的時(shí)間先后特征，分別在第1 945 s、1 982 s、2 063 s、2 098 s、2 134 s、2 152 s、2 241 s達(dá)到了400℃以上，總體符合各溫度采樣點(diǎn)在物理空間上的分布，T32距離觸發(fā)點(diǎn)T33最近，因此受熱輻射距離最短，溫升也最快。

T25、T26、T27、T28、T29、T30、T31的溫升速率-時(shí)間曲線如圖9所示。當(dāng)?shù)? 895 s熱失控發(fā)生時(shí)，T31、T30、T29、T28、T27、T26、T25分別為66.9℃、44.5℃、34.8℃、31.9℃、31℃、30.4℃、30.6℃，此時(shí)T31的溫度雖然已超出該電池系統(tǒng)的最高工作溫度要求，采樣溫度特征已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中電芯熱失控的判斷條件，但溫升速率并沒有較大突變，可以判斷觸發(fā)電芯熱失控時(shí)并未有新的電芯繼續(xù)發(fā)生熱失控。

1)觸發(fā)單體產(chǎn)生電壓降，且下降值超過初始電壓的25%。

當(dāng)?shù)? 908 s、1 909 s、1 910 s時(shí)，T31的溫升速率分別達(dá)到1℃/s、1.1℃/s、1.1℃/s，因此，可判斷為C5-2電芯也觸發(fā)了熱失控。從C5-1電芯發(fā)生熱失控至其相鄰最近的C5-2電芯發(fā)生熱失控，其傳導(dǎo)時(shí)間為15 s，說明熱失控的擴(kuò)展過程時(shí)間較為短暫。在C5-2觸發(fā)熱失控后又分別經(jīng)過27 s、45 s，C6組電芯、C7組電芯分別觸發(fā)熱失控，這說明鄰近電芯由于受到熱失控電芯的熱傳導(dǎo)影響，依據(jù)距離遠(yuǎn)近相繼觸發(fā)了自身的熱失控，為典型的熱失控?cái)U(kuò)展現(xiàn)象。

C8組電芯比較特殊，其在C5-2電芯發(fā)生熱失控后的25 s就觸發(fā)熱失控，這可能是由于觸發(fā)電芯發(fā)生熱失控產(chǎn)生火焰時(shí)內(nèi)部高溫飛濺物噴射等因素，造成相距較遠(yuǎn)的C8組電芯更早觸發(fā)熱失控，說明當(dāng)熱失控伴隨火焰產(chǎn)生時(shí)，由于燃燒的不穩(wěn)定性，存在距離較遠(yuǎn)的電芯被更早觸發(fā)熱失控的可能。

3 總結(jié)

本文通過試驗(yàn)的方式，對(duì)方形鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行熱失控?cái)U(kuò)展分析，研究結(jié)論如下：

建筑企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視對(duì)新技術(shù)的學(xué)習(xí)和運(yùn)用，通過提升原有的操作技能，達(dá)到減小施工現(xiàn)場對(duì)大氣的污染程度。例如改善鋼筋的連接方式，對(duì)墻體的鉆孔實(shí)施有效的防治措施，采用密封運(yùn)輸建筑垃圾等等，都是可以通過改善施工工藝技能而降低揚(yáng)塵污染的方式。

1）由電芯熱失控誘發(fā)熱擴(kuò)展過程較為短暫。本案例中自觸發(fā)電芯發(fā)生熱失控后約15 s的時(shí)間就引發(fā)第二節(jié)電芯熱失控，305 s后整個(gè)模組（2并4串）電壓降為0 V。因此在電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)加裝耐溫防爆性材料，延緩熱擴(kuò)散過程。

2）電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控并伴隨燃燒產(chǎn)生時(shí)，一方面由于熱傳導(dǎo)影響，會(huì)依據(jù)距離遠(yuǎn)近相繼觸發(fā)更多電芯的熱失控，此為典型的熱失控?cái)U(kuò)展現(xiàn)象。另一方面由于燃燒的不穩(wěn)定性、高溫飛濺物噴射等影響，存在距離較遠(yuǎn)的電芯被更早觸發(fā)熱失控的可能。

3）電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控瞬間，伴隨煙氣、火焰產(chǎn)生。觸發(fā)電芯所屬模組的溫度最高超過1 200℃，火焰高度約為1.5 m，采用噴淋滅火的處理方式，發(fā)生復(fù)燃5次，完全熄滅后仍有氣體釋放。因此，在面對(duì)已經(jīng)發(fā)生熱失控的電池包時(shí)，需穿備好防毒面罩、防火衣、絕緣鞋等系列防護(hù)措施，方可實(shí)施近距離救援。

［1］王宗齡.新能源汽車安全問題值得關(guān)注［EB/OL］.(2020-09-29)［2020-10-27］.http://www.chinanews.com/auto/2020/09-29/9303576.shtml.

［2］王震坡，袁昌貴，李曉宇，等.新能源汽車動(dòng)力電池安全管理技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢分析［J］.汽車工程，2020，42(12).

［3］齊創(chuàng)，鄺男男，張亞軍，等.高比能鋰離子電池模組熱擴(kuò)散行為仿真研究［DB/OL］.高電壓技術(shù)，2020-10-21.

［4］朱曉慶，王震坡，WANG Hsin，等.鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э嘏c安全管理研究綜述［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2020，56(14).

［5］FENG Xuning，ZHENG Siqi，REN Dongsheng，HE Xiangming，et al.Investigating the thermal runaway mechanisms of lithium-ion batteries based on thermal analysis database［J］.Applied Energy，2019，246：53-64.

［6］張亞軍，王賀武，馮旭寧，等.動(dòng)力鋰離子電池?zé)崾Э厝紵匦匝芯窟M(jìn)展［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，55(20):17-27.

［7］劉磊，王芳，高飛，等.鋰離子電池模組熱失控?cái)U(kuò)展安全性的研究［J］.電源技術(shù)，2019，43(3):450-452.

［8］王其鈺，王朔，張杰，等.鋰離子電池失效分析概述［J］.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2017，6(5).

［9］電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求：GB 38031-2020［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出社，2020.

［10］劉磊，林春景，樊彬，等.電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池?zé)釘U(kuò)散測試項(xiàng)目解析［J］.電源技術(shù)，2020，44(7):1070-1072.