廣告
電池?zé)崾Э胤雷o(hù)方案仿真分析
2021-10-08 13:30:41· 來源：電動學(xué)堂 作者：焦紅星等
文章來源：鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宇通客車新能源汽車技術(shù)部，海馬汽車有限公司《中國制造2025》指出，2020年電池能量密度達(dá)到300Wh/kg；2025年電池能量密度達(dá)到400W
文章來源：鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宇通客車新能源汽車技術(shù)部，海馬汽車有限公司
《中國制造2025》指出，2020年電池能量密度達(dá)到300Wh/kg；2025年電池能量密度達(dá)到400Wh/kg；2030年電池能量密度達(dá)到500Wh/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)。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。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。文獻(xiàn)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。
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40Ah的三元軟包電芯。
2.2電芯熱失控測試
充電：若單體Umax＜3.81V，以0.5C倍率恒流充電；若單體3.81V≤Umax＜3.977V，則以0.25C倍率恒流充電；若單體3.977V≤Umax＜4.06V，則以0.2C倍率恒流充電；若Umax≥4.06V，則以0.1C恒流充電至4.15V，至SOC為100%，延時(shí)5s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200W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1s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200W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1s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1138s，發(fā)生自發(fā)反應(yīng)，溫度呈下降趨勢，至1198s，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200s，電芯1在發(fā)生失控鼓脹后從極耳處噴射火焰。
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1345s，電池
開始發(fā)生自發(fā)失控，至1385s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200s，電芯在發(fā)生失控鼓脹后從側(cè)邊噴射火焰。
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。
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。
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。
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。
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＞1000℃），起了隔絕火焰的作用，避免引燃相鄰模組。
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。
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。
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。
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。
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
“汽車爬坡試驗(yàn)方法”將有國家標(biāo)準(zhǔn)
2026-03-03 12:44
-
十年耐久監(jiān)管時(shí)代：電池系統(tǒng)開發(fā)策略將如何
2026-03-03 12:44
-
聯(lián)合國法規(guī)R59對機(jī)動車備用消聲系統(tǒng)的工程
2026-03-03 12:08
-
聯(lián)合國法規(guī)R58對后下部防護(hù)裝置的工程化約
2026-03-03 12:07
-
聯(lián)合國法規(guī)R57對摩托車前照燈配光性能的工
2026-03-03 12:07
