2、热失控的影响因素
动力电池的安全问题可以用“热失控”来概括,主要是电芯内部达到一定温度后不可控制,温度上升速度快,引发燃烧甚至爆炸。其中,过热、过充、内部短路、外部冲击等是引发热失控的关键因素。电池的选型和热设计的不合理会引发电池内部温度升高过热;或受到外部剧烈冲击(针刺、挤压、冲击等)使电池短路。对于电池热失控的原因,已经有许多研发人员在进行研究分析。当一个电池单体发生热失控之后,其相邻单体受影响后也可能相继发生热失控,导致热失控蔓延,最终引发安全事故。
3、热失控的防护方式
基于热失控的原因对防护方式进行分析,电池的选型虽然是关键的内因,但为保证电池整体性能和成本目标,内部料包的配比已基本确定。通过优化结构、增强热防护等成为电池厂和整车厂改善热扩散性能的首选。
3.1、弱化顶部密封,增强通风排气
保护电池高压端,排气孔的设计一般布置在顶部,常规使用云母板和绝缘膜置于顶部,保证隔热绝缘。顶部排气孔的位置尽量覆盖内部所有电芯以保证任意电芯出现热触发时都可以及时释放能量;开孔数量和面积需要评估,以保证整体的结构强度。主要优化是在模组整体结构不变的情况下,将排气孔处的云母板进行切割处理,云母覆盖面积保持一致。-公众号-新能源电池热管理-图1(a)和图1(b)是云母板无切割和预切割对比(切割形状本文选择双侧Y字形为最适合该模组的情况),局部的弱化更有利于高温排气,同时不影响模组的整体绝缘与耐热防护。
3.2、增加内部隔热,延缓蔓延速度
由于动力电池的应用工况复杂,热失控情况不能绝对避免,抑制电芯间的热蔓,甚至完全阻断在电芯间、模组及电池包中的扩散,也是司乘安全的重要手段。目前国内外学者对很多隔热材料做了研究,包括石棉、石墨复合板等,根据气凝胶特性,也具有一定的隔热效果。本文在软包电池间增加了国内某厂家的气凝胶材料,用于减缓热蔓延的速度。
4、测试设置与方案说明
4.1、测试样本说明
测试选择一款78Ah的三元软包电池作为研究对象,主要由软包电芯、加热片、测试气凝胶、隔热垫、云母板、泡棉、温度传感器等组成。-公众号-新能源电池热管理-测试选择加热器的功率为:500W,用于加热电池触发其发生热失控;热电偶的监控温度阈值为1400℃,依次贴在电芯及外壳相应位置,每个热电偶之间相隔单包电芯或一片测试气凝胶;测试气凝胶为陶瓷纤维气凝胶长宽尺寸与电芯相当,单片厚度约1mm;电池两侧放入云母板用于隔热,同时在一定程度上保护测试工装;泡棉至于工装壳体内侧,主要用于调整尺寸,测试的两包电芯并联连接。具体的测试状态及加热片、热点偶等测试设备和工装的布置状态如图2所示,分别为电芯间增加测试气凝胶前后的对比设置。
4.2、测试样本说明
电池测试需要在安全实验室进行,除在测试工装内增加在测试环境周围进行。对于上述测试,同样也布置温度和压力传感器进行检测,主要用于监控电池周围的状态,如图3所示。
热电偶布置在排气孔、前端的正负极,以及上下表面。开放环境主要检测模组发生热扩散的状态,包括高温气体的喷发方向,热扩散的传播方向和速度。电芯的对比测试主要分为两组,主要验证开孔位置防护层隔热垫弱化(增加预切割)以及电芯间增加气凝胶对热扩散的影响,共进行三组测试,具体工况如表1所示。①和②为隔热垫开孔处弱化前后的喷射状态对比;①和③为增加气凝胶前后热蔓延速度的对比。
4.3、测试系统设置
数据采集系统包括录像机、数据采集器、热电偶、电压线、压力传感器等。测试前将电池充电至100%SOC(电芯电压约4.25V)后静置4~8h。测试设置完成后以220V电压开始加热,直至检测到发生热失控停止加热。所有数据采集器、热电偶、电压线、传感器等均用耐火胶带包裹,保证数据信息尽可能不被高温破坏。
5、测试设置与方案说明
主要针对电池结构进行设计优化前后进行测试对比,在相同热触发的条件下,检测试验状态,对比和分析信息。
5.1、散热定向,喷射稳定
通过相同的测试方法,仅优化了电池的防护结构,在发生热失控时,喷射特性有很大改善。本文所选研究对象虽然设计有喷射孔,但软包电池与方壳电池不同,内部很难增加特定路径的排气通道。优化后的结构为在喷口位置对防护云母做了弱化处理,可有效地引导高温气体排出。其中优化前当加热到一定温度后,高温气体开始释放,其喷射方向除了预设喷孔,很多气体从两侧排出,如果发生在模组内,大大提高了极耳两侧连接高压端短路发生的可能性;如果是在电池包内,大量高温气体瞬间从两侧喷发,很容易引燃周围的模组发生短路。优化后的电池则可以在发生热失控的时候,使高温气体向设计的方向排出,即使在空间较小的模组或者整包环境下,也可以使气体顺利排出,而尽可能地不影响周围的模组。
5.2、电池电压降至零时间延长
电池的电压是体现电池是否发生热触发的评价标准之一,电压降为0说明该电池已经被触发,时间的长短可以体现热蔓延的速度。通过相同的测试方法,对比热防护结构优化前后的电压降为0的时间。-公众号-新能源电池热管理-单包电芯电压降至零的时间平均延长3~4倍。图4(a)和(b)为对比测试结果,从数据结果可知,单包电芯电压降至0的时间从15~18s提升至58~60s,优化后测试时间明显延长,且压降变化较为稳定,体现了较好的模组内部电芯依次发生热蔓延而非短时间内同时出现热失控的过程。
5.3、电池热失控速度减缓
电芯温度的变化也可以明显体现电池内部热传递的速度,优化后电池在热扩散测试中,当加热电芯触发后,高温气体可以快速释放到外界,同时内部的气凝胶可以使相邻的电芯热传的递速度减缓。图5是电芯温度变化的数据,T1—T3为布置在触发模组内的三个热电偶(见图2),优化前单包电芯的热蔓延传递速度在8~12s,优化后单包电池发生热失控产生的热量仅在气凝胶内扩散的时间就有68s,说明在电芯间增加气凝胶对电芯间热扩散的防护有明显的改善效果。
5.4、模组、电池包热失控测试对比
基于上述电芯测试的结果,在模组和电池包内进行对比测试,主要优化方向参考电芯级别测试中结构优化。-公众号-新能源电池热管理-通过对比测试,在相同的测试环境下,其模组总压降到0的时间从92s提升至447s,且压降为阶梯型变化,体现了模组内电芯依次触发的过程。
将优化前后的模组置于电池包中进行相同环境的热扩散测试,发现布置在触发模组内部相同位置的热电偶的温升速度也有明显区别,在触发模组内第一、中间和最后一包电芯的同侧布置有热电偶,用于检测的温度数据。优化后相邻热电偶的温升变化的时间间隔从约15s延长到150s左右,也说明了优化后电芯间热扩散的速度变缓。
6、测试样件拆解评估
测试样件的拆解对测试的结果可以有更进一步的评估。在对电芯、模组以及电池包级别测试后的电池均进行拆解分析,通过拆解热失控测试后的电池包、模组以及内部的电芯,观察电池的防护设计、结构件等,特别是电芯内部气道走向以及不同位置电芯的烧损状态等,可以有效的评估发生热失控时,模组内部的影响。图6(a)和(b)为优化前后模组热扩散测试后电芯内部的状态,依次是首包电芯(与加热片相邻)、中间位置电芯、尾包电芯(远离加热片)的状态。
从对比电芯内部状态可以看出,优化前喷射的路径比较分散,顶部、两侧均有喷射的轨迹;且从电芯大面来看,整个模组内的电芯燃烧的剧烈程度相当。而优化后的模组,拆解后电芯内喷射的路径相对一致均从顶部喷射孔的位置排出,且从贴近加热片位置到远离加热片位置的电芯燃烧剧烈程度依次减弱,在最后一包电芯内喷发留下的纹理比首包电芯的痕迹要模糊很多。
7、结论
动力电池热防护的改善,在电芯性能相当的情况下,需要从模组与电池包的外部保护、高温气体热传递方案、能量释放、内部绝缘防护等多角度进行考虑分析。虽然目前国家针对动力电池包有明确的安全要求,没有对模组或者电芯级别定义热失控测试的具体标准,从电池系统中小单元的优化,同样对于整个电池系统也会有更好的影响。-公众号-新能源电池热管理-通过对模组结构以及增加内部电芯的隔热防护等方面进行优化,以多次电芯、模组及电池包的测试为依据,提出了模组改善热扩散的防护方案,利于对电池系统层级的热防护开发。通过对电压、温度等信息的采集,以及热失控测试后的模组拆解,结论如下:
(1)适当弱化软包电池排气孔位置的防护,可以提高高温气体的排放效率,潜在形成了内部排气通道;
(2)增加模组内部电芯之间的防护,增加隔热材料可以有效减缓电池的热蔓延速度;
(3)相同电池包和电芯设计条件下,基于实际情况适当优化模组结构,对模组及电池包的热扩散测试均有明显改善;
(4)除了通过电压、温度等信号外,对于测试后电池的状态,对分析软包电池热蔓延的研究也有很大的参考意义。
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