新能源電池包熱失控防護(hù)方式探究?

作為新能源電動(dòng)汽車的核心零部件，電池安全尤為重要，電池失火以及熱失控蔓延將會(huì)嚴(yán)重影響乘車人的安全。因此，降低電池起火風(fēng)險(xiǎn)以及電池包熱失控阻隔防護(hù)，在新能源汽車安全中尤為重要。

為了提高電池系統(tǒng)的安全性能，企業(yè)和高校紛紛在電池包熱失控防護(hù)方面做了大量的研究，并提出多種阻隔防護(hù)措施。張少禹等人以NCM811型電池為研究載體，通過試驗(yàn)的方法對(duì)比了不同阻隔材料、阻隔厚度及阻隔層數(shù)對(duì)熱失控阻隔效果的影響；ChenJie等人針對(duì)冷卻與熱失控一體化的阻隔方案，確定了一種阻隔方案同時(shí)滿足熱失控蔓延和電池模組冷卻；劉蒙蒙針對(duì)電池?zé)崾Э胤謩e從單體電芯、模組和Pack層面分別研究其失效機(jī)理，以及防護(hù)措施；高飛等人通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三元乙丙橡膠在電池?zé)崾Э刂械淖韪糇饔?；鄒振耀等人通過對(duì)熱失控總結(jié)研究，認(rèn)為增加額外阻隔方案是控制熱失控?cái)U(kuò)展的重要方向，同時(shí)多種阻燃材料被進(jìn)行研究總結(jié)。

本文通過試驗(yàn)方法對(duì)比研究了電池包內(nèi)部多種熱失控阻隔方案。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比研究了電池包內(nèi)部阻隔位置、阻隔材料對(duì)熱失控蔓延時(shí)間的影響，并分析了電池包內(nèi)部高壓器件在熱失控過程中，與周邊金屬件的短接是影響熱失控的重要因素。這對(duì)電池?zé)崾Э胤雷o(hù)設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

電池包熱失控試驗(yàn)分析

電池包熱失控發(fā)生機(jī)理

如表1所示，導(dǎo)致動(dòng)力電池?zé)崾Э氐闹饕|發(fā)機(jī)理為：機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用,本文試驗(yàn)選用熱濫用觸發(fā)機(jī)理。

試驗(yàn)設(shè)置

熱失控觸發(fā)方式采用加熱平板（400W、220V）貼在電池包內(nèi)某個(gè)電芯表面，恒定功率加熱。當(dāng)電池溫升速率超過1℃/s，持續(xù)3s，并且電池溫度超過其工作使用溫度，此為熱失控開始時(shí)刻t_s，并記錄熱失控開始時(shí)刻；電池包有明火泄出超過5s，記錄此時(shí)時(shí)間t_w；熱失控防護(hù)保持時(shí)間為t_b，其計(jì)算公式如下：

t_b=t_w-t_s

溫度檢測(cè)

電池包內(nèi)部根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求布置阻隔材料。同時(shí)，電池包內(nèi)部不同位置需要進(jìn)行溫度采集，用于觸發(fā)依據(jù)和結(jié)果分析。溫度采集選用K型熱電偶，其溫度采集布置如圖1所示。其中，t_c檢測(cè)電芯表面溫度，t_s檢測(cè)防護(hù)材料近電芯側(cè)溫度，t_f檢測(cè)防護(hù)材料與電池殼體間的溫度。

電池包熱失控試驗(yàn)結(jié)果

阻隔方案設(shè)計(jì)

本文研究對(duì)象為51Ah高鎳鋰離子方形電芯電池包，根據(jù)防護(hù)材料、防護(hù)位置不同，防護(hù)方案分別見表2。

方案一未做任何防護(hù)，用于跟其他3種防護(hù)阻隔效果對(duì)比，所選用的兩種材料耐高溫均超過1000℃，導(dǎo)熱系數(shù)均小于0.05W/(m·K)。其中，方案二和方案三在電池包內(nèi)防護(hù)位置如圖1所示。其中，1為模組；2為防火材料，對(duì)應(yīng)表2中方案二的預(yù)氧絲毛氈和方案三的陶瓷橡膠；3為電池包上殼體；4為高壓連接件銅排，銅排的作用是串聯(lián)電池模組以及整車高壓連接件。方案四為高壓連接件銅排外部包覆陶瓷橡膠，其包覆以后的實(shí)物如圖2 所示。

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將表2中四種試驗(yàn)方案分別進(jìn)行熱失控試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)其熱失控防護(hù)保持時(shí)間，其試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。方案一無任何防護(hù)阻隔措施， 其熱失控保持時(shí) 間為 636 s， 方案三和方案四的 防護(hù)保持時(shí)間分別為 2 576 s 和 2 361 s， 與方案一相比， 其熱失 控防護(hù)阻隔效果明顯。 方案二防 護(hù)保持時(shí)間為 762 s， 與方案一 相比， 其熱失控防護(hù)阻隔沒有明顯效果。

熱失控試驗(yàn)結(jié)果分析

熱失控失效形式對(duì)比

分別拆解試驗(yàn)以后的 4 個(gè)電池包，分別針對(duì)其火焰泄露位置、殼體失效形式及電池包內(nèi)部零部件試驗(yàn)以后的狀態(tài)進(jìn)行分析。

方案一和方案二的熱失控電池包殼體火焰泄露區(qū)域分別如圖4和圖5所示，其殼體失效形式類似，均為高溫融穿孔洞；其失效位置均為遠(yuǎn)離電芯噴火處，并且均不是電芯防爆閥正對(duì)位置；其附近均有高壓連接件銅排，并且銅排均有熔斷現(xiàn)象，圖6為高溫熔斷的銅排；電池包內(nèi)部存在多處銅排與金屬件熔融搭接現(xiàn)象；電池包內(nèi)部所有非金屬件均燒成灰燼，包括銅排表面絕緣層，金屬部件相對(duì)完整。

方案三和方案四火焰泄露位置以及殼體失效形式相似，均為電池包殼體上方，其失效形式為殼體受壓膨脹變形過大導(dǎo)致的裂紋，如圖7所示。電池包內(nèi)部非金屬件燒成灰燼，非金屬件較為完整。

電池包內(nèi)部溫度分析

圖8～10為試驗(yàn)過程中，電池包內(nèi)部溫度傳感器隨試驗(yàn)時(shí)間溫度變化曲線，表示電池包殼體試驗(yàn)過程中的溫度變化。其中，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，殼體溫度采集點(diǎn)最高溫度如表3 所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析

電池包殼體材料為鈑金材料，材料牌號(hào)為DC06，其熔點(diǎn)超過1500℃。方案一和方案二試驗(yàn)結(jié)束時(shí)候采集的溫度均低于熔點(diǎn)溫度。所以，導(dǎo)致殼體融穿的溫度并不是熱失控的高溫導(dǎo)致的熔化，應(yīng)為局部區(qū)域溫度突變?cè)龈邔?dǎo)致。針對(duì)方案二和方案三、方案四的試驗(yàn)對(duì)比，其主要差異性為絕緣性防護(hù)，特別是高壓連接件絕緣性防護(hù)。因此，高壓連接件銅排在熱失控中的絕緣失效，是影響方案二防護(hù)時(shí)間短的重要因素。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，電池殼體局部溫度突然增高超過熔點(diǎn)，并非電芯燃燒或者泄壓所致，但是其附近銅排均有熔斷現(xiàn)象，并且對(duì)電池包內(nèi)部拆解均有銅排與附近金屬件搭接短路熔融現(xiàn)象。

因此，可以得出結(jié)論，方案一和方案二導(dǎo)致熱失控時(shí)間短的主要原因：銅排在熱失控過程中，由于絕緣皮高溫?zé)龤В瑫r(shí)銅排以及周邊零部件的高溫變形、損壞，導(dǎo)致銅排與上殼體短接，形成局部瞬間高溫，引起上殼體局部熔化、穿孔，導(dǎo)致明火外泄。同時(shí)，方案四通過對(duì)銅排的防護(hù)，證明了高壓連接件銅排在熱失控防護(hù)中的影響，銅排與上殼體短接引起局部高溫融穿導(dǎo)致的熱失控失效，是導(dǎo)致影響熱失控防護(hù)一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)于防止內(nèi)部高壓連接件與殼體短接導(dǎo)致高壓短路，也是電池包熱防護(hù)一個(gè)關(guān)鍵的防護(hù)措施。

結(jié)論

1. 本文通過試驗(yàn)的方法，對(duì)電池包內(nèi)部選用不同的試驗(yàn)材料、零部件防護(hù)位置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，高溫絕緣隔熱材料阻隔效果明顯優(yōu)于非絕緣隔熱材料。
2. 本文通過對(duì)試驗(yàn)過后殼體失效形式研究，分析其熱失控失效主要因殼體融穿失效。這是因高壓連接件短接殼體，并非電芯燃燒導(dǎo)致。
3. 本文通過研究發(fā)現(xiàn)除了熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)于高壓連接件短接的防護(hù)是阻斷熱失控蔓延的關(guān)鍵因素之一。