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不同散熱設(shè)計(jì)下鈦酸鋰電池?zé)崧訉?shí)驗(yàn)研究

2021-09-14 13:39:40·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：袁德強(qiáng)  
　
文章來(lái)源：1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司2.北京交通大學(xué)國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心3.中國(guó)民航信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司在電池模組內(nèi)，一支或幾支電池?zé)崾Э厮?/div>
文章來(lái)源：1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司2.北京交通大學(xué)國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心3.中國(guó)民航信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司

在電池模組內(nèi)，一支或幾支電池?zé)崾Э厮a(chǎn)生的能量如不能盡快被熱管理系統(tǒng)排出，則會(huì)影響到模組內(nèi)的其他電池，引起熱失控的連鎖反應(yīng)，即熱蔓延，最終導(dǎo)致整個(gè)模組甚至是動(dòng)力系統(tǒng)的崩潰。為探究鋰離子電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)原因及失控后的熱蔓延表現(xiàn)，部分學(xué)者從機(jī)理角度入手，利用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)熱失控及熱蔓延的特征進(jìn)行了研究。

文章以層疊式軟包鈦酸鋰電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)確定了其熱失控觸發(fā)條件，并針對(duì)自然對(duì)流、表面液冷、極耳強(qiáng)迫風(fēng)冷3種主流的熱管理設(shè)計(jì)模組進(jìn)行熱蔓延實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)而為鈦酸鋰電池模組散熱設(shè)計(jì)提供參考。

1實(shí)驗(yàn)
選用某商用大容量鈦酸鋰電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用的充放電機(jī)為Series4000（輸出電壓0~5V，誤差小于5‰），溫度記錄設(shè)備為L(zhǎng)R8410-30及測(cè)量單元LR8511（溫度范圍-200~2000℃，最大分辨率0.01℃）。搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。
由于相比于三元、磷酸鐵鋰電池，鈦酸鋰電池的能量密度低，為提高觸發(fā)成功率，在針刺與外短路實(shí)驗(yàn)時(shí)將電池進(jìn)行了不同程度的過(guò)充，提高了失控觸發(fā)時(shí)電池貯存的電化學(xué)勢(shì)能。
當(dāng)電池出現(xiàn)電壓陡降、溫升速率≥1℃/s、溫度超過(guò)電池承受上限三者之一時(shí)即視為發(fā)生熱失控。Ⅰ型電池的觸發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
可以看出，加熱是最穩(wěn)定的觸發(fā)方式，雖然實(shí)際情況中鮮有持續(xù)高功率加熱的環(huán)境，但熱失控誘因復(fù)雜多變難以預(yù)防，因此更重要的是提高熱管理系統(tǒng)對(duì)熱蔓延的抵抗能力，即熱失控已經(jīng)發(fā)生，附近電池受到了高溫加熱（類似于加熱片加熱），在此類條件下熱管理系統(tǒng)需要將失控電池的熱量快速散出，并減小其他電池失控的可能，因此選擇加熱作為模組熱蔓延實(shí)驗(yàn)的觸發(fā)方式是合理的。

2模組熱蔓延實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2.1自然對(duì)流散熱模組熱蔓延實(shí)驗(yàn)

在確定電池?zé)崾Э赜|發(fā)方式后，取5支電池組成小型模組，對(duì)熱蔓延進(jìn)行模擬。將5支Ⅰ型電池在滿電狀態(tài)下按照?qǐng)D2所示用夾具組裝并布置14只K型熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，從左到右電芯順序編號(hào)，其中3號(hào)電芯為熱失控觸發(fā)電芯。
2號(hào)、3號(hào)電芯之間放置一副空夾具，以此來(lái)減弱加熱片對(duì)2號(hào)電芯的影響。每?jī)芍щ娦局g夾入2片氣凝膠氈（阻熱材料），2號(hào)、3號(hào)電芯之間的氣凝膠氈夾在加熱片外側(cè)，用鐵絲固定。正負(fù)極極耳用鋁制方條和極耳連接板并聯(lián)連接，保證模組的電氣連接。組裝完畢后放置于室外。加熱功率約380W，環(huán)境溫度（25±1）℃。
假設(shè)電池模組各個(gè)表面的對(duì)流換熱系數(shù)相等，并將輻射散熱與對(duì)流換熱進(jìn)行折算，即在環(huán)境中僅考慮對(duì)空氣的對(duì)流換熱，而后選取一段電池在環(huán)境中的降溫曲線，結(jié)合牛頓冷卻定律（式（1））進(jìn)行變換、求積分得到式（2），根據(jù)式（2）進(jìn)行最小二乘法擬合，則可由此得到電池對(duì)流換熱系數(shù)h，如圖3所示。Tmax為t=0時(shí)刻的電池溫度。h辨識(shí)結(jié)果約為25.8 W/（m·K）
監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化如圖4所示。電芯熱失控順序依次為：3、2、4、5，加熱開(kāi)始后模具縫隙處有少量白煙冒出，12min4s后，3號(hào)電池邊角處檢測(cè)到溫升符合觸發(fā)條件，模組出線輕微形變，白煙變得極其濃烈，12min12s，3號(hào)電池中心處熱失控；15min10s，2號(hào)電芯熱失控；43min18s，4號(hào)電芯受熱側(cè)失控，44min31s完全失控，此時(shí)模組形變明顯；72min47s，5號(hào)電池受熱側(cè)失控，73min56s完全失控；1號(hào)電芯始終沒(méi)有熱失控。
加熱片加熱期間4號(hào)熱電偶溫度高于5號(hào)（近加熱片側(cè)），80min后極耳達(dá)到溫度峰值。由于1號(hào)電芯沒(méi)有熱失控，模組電壓始終未跌落至0V。從鄰近電池失控到本電池受熱側(cè)失控的時(shí)間間隔約為28min；當(dāng)電池受熱一側(cè)失控后，約1min后對(duì)側(cè)中心觸發(fā)判定條件，此階段熱量在電池內(nèi)部傳遞并促進(jìn)電池分解；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后模組發(fā)生明顯形變，如圖5所示。
電池模具為PVC材質(zhì)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，模具受熱產(chǎn)生少量白煙，之后電池受熱內(nèi)部發(fā)生劇烈的分解反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體。由于鋁塑膜材質(zhì)較軟，電池在內(nèi)部壓力的作用下發(fā)生形變并膨脹，而模組內(nèi)部空間有限，當(dāng)膨脹到一定程度后便無(wú)法繼續(xù)，電池內(nèi)部壓力升高。

達(dá)到一定程度后鋁塑膜密封的薄弱環(huán)節(jié)（側(cè)邊封口）因無(wú)法抵抗內(nèi)部壓力而破損，內(nèi)部氣體逸出并帶出內(nèi)部反應(yīng)物顆粒，產(chǎn)生大量白色煙氣。由各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度曲線可知，模組雖裝設(shè)了導(dǎo)熱系數(shù)極低的氣凝膠氈，但僅能在時(shí)間尺度上減緩蔓延的進(jìn)行，延長(zhǎng)熱量在電池間傳遞的時(shí)間，要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱蔓延的有效控制，需提高模組熱管理系統(tǒng)的散熱能力，在蔓延未發(fā)生時(shí)及時(shí)將失控電池產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)出，確保其他電池不受影響。
2.2表面液冷散熱模組熱蔓延實(shí)驗(yàn)
對(duì)上述結(jié)構(gòu)模組做散熱改造：在每支電芯表面裝散熱鋁片，使其夾緊電池最大展向面，如圖6所示，并在側(cè)封邊加裝液冷板，利用恒溫水循環(huán)從鋁片上導(dǎo)出熱量。
液冷板與散熱鋁片間敷設(shè)導(dǎo)熱硅膠墊（導(dǎo)熱系數(shù)約6.0W/（m.K），厚度約1.0mm），并用螺栓加固使之緊密貼合。溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)同2.1節(jié)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)觸發(fā)電芯溫升大于等于1℃/s時(shí)，切斷加熱片電源，同時(shí)開(kāi)啟水泵啟動(dòng)水冷。初始水溫（23±2）℃，流速約0.7m/s，環(huán)境溫度（28±1）℃。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明只有觸發(fā)電芯（3號(hào)）發(fā)生熱失控，其余電芯均未發(fā)生熱失控，整個(gè)模組僅在觸發(fā)電芯熱失控時(shí)產(chǎn)生白煙，無(wú)明火，熱蔓延被有效阻隔。
由圖7熱蔓延數(shù)據(jù)曲線可知，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后9min37s觸發(fā)電芯加熱側(cè)對(duì)側(cè)檢測(cè)到熱失控，最高溫度約為430℃，而后溫度開(kāi)始下降；7號(hào)熱電偶位于下側(cè)，靠近水冷板，故散熱條件較好，9min50s時(shí)檢測(cè)到溫升達(dá)到1℃/s，熱失控觸發(fā)時(shí)間略長(zhǎng)于中心位置（6號(hào)）；除觸發(fā)電池外，溫度最高點(diǎn)為8號(hào)熱電偶（最接近觸發(fā)電芯），最高溫度約131℃；極耳部分最高溫度約為70℃。
拆解后發(fā)現(xiàn)僅觸發(fā)電芯發(fā)生形變、脹氣，其余電芯完好，電壓無(wú)明顯變化。水冷鋁片未發(fā)生熔化，僅在觸發(fā)電芯處的鋁片發(fā)生形變（觸發(fā)電芯熱失控脹氣造成的機(jī)械應(yīng)力形變），其余鋁片完好。實(shí)驗(yàn)后各支電池電壓如表3所示。由于散熱鋁片裝設(shè)在電池的展向表面，阻隔了熱蔓延的傳播路徑，再借助液冷方式強(qiáng)大的散熱能力，熱蔓延得到了有效控制。
2.3極耳強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱模組熱蔓延實(shí)驗(yàn)
取5支滿電態(tài)的Ⅱ型電池并聯(lián)，以與2.2節(jié)相同的方式進(jìn)行模組組裝，觸發(fā)電芯旁放置空夾具，電池間以氣凝膠氈隔熱，如圖8（a）所示。
不同的是本次采用了極耳散熱、熱管導(dǎo)熱、散熱翅片強(qiáng)迫風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)。由于Ⅱ型電池的極耳位于電芯兩側(cè)，故在電池兩側(cè)分別裝設(shè)了兩根熱管。熱管與極耳間敷設(shè)導(dǎo)熱硅膠墊（同2.2節(jié)）并用螺栓加固。風(fēng)扇自上而下送風(fēng)，風(fēng)速約10.5m/s。溫度布點(diǎn)如圖8（b）所示，從左至右依次為1~5號(hào)電芯。加熱功率約380W。環(huán)境溫度（36±1）℃。
開(kāi)始加熱后，觸發(fā)電池開(kāi)始鼓脹，模組發(fā)生形變，有少量白煙冒出，持續(xù)加熱至12min5s后噴射白煙，檢測(cè)到3號(hào)電池邊角處熱失控，此時(shí)停止加熱，51s后3號(hào)電池中心處檢測(cè)到失控；12min12s，2號(hào)電池失控；19min52s，1號(hào)電池達(dá)到失控觸發(fā)條件；24min57s，4號(hào)電池完全熱失控；5號(hào)電池未失控，最高溫度約71.6℃。注意到翅片溫度有兩處明顯尖峰，并在尖峰處溫度超過(guò)了熱管，如圖9所示，此為電池噴射高溫白煙所致，除此之外，翅片溫度始終低于熱管，說(shuō)明熱量沿?zé)峁芟蛲饨缌鲃?dòng)。熱管最高溫度50.5℃，散熱翅片最高46℃。
本次熱失控蔓延未能被有效阻隔，一方面是由于極耳散熱的方式散熱能力有限，此方式下熱量經(jīng)有電池極耳、熱管、風(fēng)扇最后到達(dá)環(huán)境中，熱通路復(fù)雜，且各個(gè)環(huán)節(jié)均有熱阻，因此不能及時(shí)散出熱量；另一方面，熱蔓延的傳遞主要是在不同電池的表面之間進(jìn)行的，相比于液冷散熱將散熱鋁板安插在電池之間的形式，極耳散熱無(wú)法在熱蔓延傳遞路徑中加以阻隔，不能直接作用于熱蔓延通路，因此無(wú)法有效阻止熱失控的傳播。

3結(jié)論
通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鈦酸鋰電池，過(guò)充、針刺、外短路的觸發(fā)方式存在偶然性，而加熱的方式成功率較高；自然對(duì)流散熱功率有限，此類型電池模組難以抵抗熱蔓延；表面液冷方式可以在熱蔓延傳播路徑上進(jìn)行隔斷，利用強(qiáng)大的散熱能力阻止蔓延；極耳強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱能力有限，且散熱裝置不在蔓延傳播路徑上，難以對(duì)熱失控進(jìn)行有效控制。 
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