鋰離子動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的主流動(dòng)力源，具有高比能量的特點(diǎn)。而目前汽車用動(dòng)力電池多采用數(shù)量較多的小容量電池進(jìn)行串并聯(lián)成組以滿足高能量的要求。這樣，汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全問(wèn)題就不再僅僅是電池單體的安全問(wèn)題，而是電池成組安全問(wèn)題。近年發(fā)生的汽車動(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)致周圍電池單體受熱產(chǎn)生熱失控。這樣，電池組內(nèi)的熱失控蔓延問(wèn)題就是電池成組安全問(wèn)題的主要關(guān)注點(diǎn)。

如果探究清楚熱失控蔓延的機(jī)制，有效地對(duì)熱失控的蔓延進(jìn)行阻隔，使熱失控局限于電池單體，就可以將危害降到最低。目前針對(duì)電池?zé)崾Э芈拥难芯窟€不多，近些年電池安全問(wèn)題受到關(guān)注之后有部分學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э芈舆M(jìn)行了試驗(yàn)和仿真研究。電池?zé)崾Э芈拥挠行Х揽丶夹g(shù)的相關(guān)研究也在開(kāi)展。本工作將圍繞熱失控蔓延機(jī)制及建模研究、熱失控蔓延安全防控技術(shù)這兩個(gè)方面，對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并探討熱失控蔓延相關(guān)研究的發(fā)展方向。

重點(diǎn)內(nèi)容導(dǎo)讀

1熱失控蔓延機(jī)制研究現(xiàn)狀

1.1熱失控蔓延機(jī)理研究

已經(jīng)有大量學(xué)者進(jìn)行了鋰離子動(dòng)力電池單體的熱失控機(jī)理的研究。圖1為某款NCM三元/石墨鋰離子動(dòng)力電池單體的熱失控機(jī)理，可以看到熱失控發(fā)生時(shí)，各種材料相繼發(fā)生熱分解反應(yīng)，使得電池體系內(nèi)部溫度不可逆的快速升高。具體包括：SEI膜分解，負(fù)極與電解液反應(yīng)，正極分解，電解液分解，電解液燃燒等。電池?zé)崾Э剡^(guò)程的放熱速率開(kāi)始時(shí)是緩慢增加的，直到某一溫度點(diǎn)時(shí)，放熱速率開(kāi)始快速增加，電池進(jìn)行劇烈的能量釋放，稱為熱失控觸發(fā)溫度（TRonset）。

圖1三元/石墨鋰離子動(dòng)力電池單體熱失控反應(yīng)機(jī)理

FENG等針對(duì)6節(jié)25A·h三元鋰離子電池組成的串聯(lián)模塊，進(jìn)行了針刺觸發(fā)的熱失控實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)熱失控蔓延機(jī)理做了分析。當(dāng)方殼型電池發(fā)生熱失控時(shí)，通過(guò)電池正面接觸而產(chǎn)生的側(cè)向加熱非常劇烈，導(dǎo)致被加熱電池內(nèi)部在厚度方向上溫度梯度很大，熱失控蔓延的發(fā)生是由于電池前端面溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度來(lái)判定，見(jiàn)圖2。

（a）熱失控蔓延溫度分布

（b）電池中心溫度

圖2方殼電池?zé)崾Э芈舆^(guò)程示意圖

熱失控的發(fā)生意味著隔膜的崩潰，同時(shí)發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路，因而對(duì)于兩節(jié)并聯(lián)電池，在熱失控蔓延過(guò)程中，電壓下降和熱失控發(fā)生時(shí)間呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，見(jiàn)圖3。

圖3熱失控蔓延電壓特性

1.2熱失控蔓延模型研究

單體熱失控模型是熱失控蔓延模型的基礎(chǔ)，因此，下面將分別針對(duì)單體電池?zé)崾Э亟Ｅc熱失控蔓延建模方面的研究進(jìn)行概述。

圖4熱失控蔓延三維模型的溫度分布

1.3熱失控蔓延影響因素

影響熱失控蔓延特性的因素有很多，首先是電池本身的熱失控特性，如電池?zé)崾Э靥卣鳒囟?、能量釋放速率等；其次電池的散熱條件以及電池之間的傳熱條件，如前所述，熱量傳遞是電池組熱失控蔓延的重要原因，因此傳熱特性也是直接影響熱失控蔓延速率的重要因素；另外，電池發(fā)生熱失控時(shí)會(huì)噴出高溫氣體和顆?；旌衔?，這些氣體具有可燃性，極易發(fā)生起火，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產(chǎn)生的火焰會(huì)加熱周圍電池，從而加速熱失控蔓延的進(jìn)程；除此以外，電池之間的電連接也會(huì)影響熱失控的蔓延。

（a）

（b）

圖5熱失控蔓延熱流途徑分析

（a）M型連接

（b）S型連接

圖6兩種并聯(lián)連接形式

2熱失控蔓延防控技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前已有的熱失控蔓延防控方面的研究是從模組或電池包的角度，主要通過(guò)熱管理的手段，抑制熱失控在電池之間的蔓延，以防止電池包中一節(jié)電池發(fā)生熱失控后，逐漸蔓延到周圍電池。對(duì)于方殼型電池來(lái)說(shuō)，通過(guò)防控技術(shù)使得相鄰電池前端面溫度無(wú)法達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度TRonset，就可以實(shí)現(xiàn)熱失控蔓延的抑制。

2.1空氣冷卻

空氣冷卻是一種較為簡(jiǎn)單的熱管理方法，且由于其在成本和體積效率上的優(yōu)勢(shì)被一些混合動(dòng)力汽車采用，例如豐田Prius、EncrlThinkCity等。

圖7空冷流道設(shè)計(jì)

2.2液冷

液冷系統(tǒng)通常由水泵驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)，液體不與電池直接接觸，而是通過(guò)金屬管、冷板等方式實(shí)現(xiàn)電池向冷卻液中的熱量傳遞，通常需要外部換熱器件來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻液中的熱量散到環(huán)境中。由于冷卻液一般具有較高的比熱容，因此較容易實(shí)現(xiàn)電池組溫度的一致性。并且具有較好的冷卻效果，可以保證較大倍率下電池溫度仍然在較合理的溫度范圍內(nèi)。其缺點(diǎn)是冷卻系統(tǒng)復(fù)雜，有管道、水泵、換熱器等輔助器件，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)冷卻液的泄露風(fēng)險(xiǎn)也帶來(lái)了新的安全性問(wèn)題。

（a）常規(guī)管道液冷系統(tǒng)

（b）水凝膠液冷系統(tǒng)

圖8常規(guī)管道液冷與水凝膠液冷

2.3相變冷卻

風(fēng)冷和水冷方法，除了還在研究中的水凝膠方法以外，都是主動(dòng)冷卻方法，需要在系統(tǒng)中加入額外的驅(qū)動(dòng)器件，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度變高，而以相變冷卻為主要手段的被動(dòng)冷卻在這方面優(yōu)于風(fēng)冷和液冷。相變材料冷卻熱管理可以分為固液相變和液汽相變。

圖9PCM相變材料及鋁冷卻塊冷卻效果對(duì)比

2.4應(yīng)急冷卻技術(shù)

應(yīng)急冷卻技術(shù)是指當(dāng)檢測(cè)到電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生時(shí)，針對(duì)熱失控及其周圍電池進(jìn)行冷卻劑噴淋，以降低局部溫度，達(dá)到抑制熱失控蔓延的目的。

2.5防火安全性設(shè)計(jì)

電池發(fā)生熱失控，常常伴隨著高溫氣體的噴出，由于噴氣氣流速度快、電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，電池內(nèi)部部分材料會(huì)隨氣流一起噴出。這些噴出物一方面溫度較高，接觸周圍電池會(huì)加速熱失控的蔓延；另一方面具有可燃性，噴出過(guò)程極易產(chǎn)生火星，噴出后在空氣環(huán)境中易于起火。如何對(duì)噴出物進(jìn)行火災(zāi)防控，是需要研究的重要問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力電池?zé)崾Э芈拥闹饕绊懸蛩厥莻鳠?、電連接、噴出物起火。對(duì)于方殼及軟包電池來(lái)說(shuō)，傳熱可能是最重要的影響因素。當(dāng)方殼型電池發(fā)生熱失控時(shí)，熱失控蔓延的發(fā)生是由于電池前端面溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度TRonset來(lái)判定。為了對(duì)熱失控蔓延過(guò)程進(jìn)行仿真研究，可以建立不同維度的熱失控蔓延模型，其中三維模型的仿真準(zhǔn)確度最高，可獲得的信息最多，但計(jì)算量也最大。

在熱管理方面，目前多數(shù)研究還是從正常工況下的溫度控制角度進(jìn)行，針對(duì)熱失控蔓延抑制的研究還不太多。在幾種熱管理手段中，液冷、相變冷卻、應(yīng)急冷卻可能是抑制熱失控蔓延較有效的方法。熱管理系統(tǒng)在考慮管理效果的同時(shí)，還要考慮其對(duì)電池組成組效率、成本增加、復(fù)雜程度等方面的影響。防火安全性設(shè)計(jì)目前主要是一些簡(jiǎn)化的試驗(yàn)研究，缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐，因此有必要從電池?zé)崾Э乜扇夹詺怏w成分、流動(dòng)等角度，為防火設(shè)計(jì)提供更多的理論研究基礎(chǔ)。