熱失控實(shí)驗(yàn)的過程與情況

研究整包熱失控實(shí)驗(yàn)是很貴的，整包樣件的費(fèi)用、配置探測(cè)電壓、溫度實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是一筆不菲的開支，特別是大容量電芯和模組樣件（淘寶上有些）還不太好買；所以很多研究者主要以 18650&21700 的案例為主。最近有個(gè)很有意思的案例，是清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的 Shang Gao，在《Experimental Study on Module-to-Module Thermal Runaway-Propagation in a Battery Pack 》一文里面披露了一個(gè)實(shí)驗(yàn)包和部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們來仔細(xì)看一看這個(gè)里面的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。?

備注：我把文章里面的溫度和事件參數(shù)抽出來做了整理，可參見原文仔細(xì)讀一讀

01
熱失控實(shí)驗(yàn)對(duì)象
參數(shù)和試驗(yàn)搭建?

這個(gè)電池包是一項(xiàng)聯(lián)合研究，由車企所提供，整個(gè)配置為 13kWh，成組為 96S1P，采用 8 個(gè) VDA 的 PHEV2 的模組，布置時(shí)候采用雙層結(jié)構(gòu)，上下兩層各 4 個(gè)模組。

熱量

這個(gè)測(cè)試的目的，是希望在底下的一層選一個(gè)激發(fā)單電芯熱失控模組，然后仔細(xì)分析評(píng)估左右和整包的熱失控的過程。如下圖所示，這里面加入了溫度傳感器，并且模組的壓力是變小了，只用外部的簡(jiǎn)易固定裝置來處理。實(shí)際的電池模組的壓力和約束，會(huì)在電芯膨脹的時(shí)候產(chǎn)生不小的影響，這里會(huì)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)搭建帶來的差異點(diǎn)。

在這個(gè) PHEV 的電池系統(tǒng)里面所選擇的模組為標(biāo)記為 DUT，我們觀察的對(duì)象是模組的左側(cè)模組和上層模組，右側(cè)由于有一根梁做了一些物理上的隔斷，整體的蔓延過程相對(duì)慢一些。電池系統(tǒng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可以分為，一開始主要是在選擇的 DUT 的模組內(nèi)進(jìn)行熱蔓延，持續(xù)時(shí)間大約 40 分鐘，然后在接下來的 10 分鐘左右，左側(cè)相鄰和上方的模組開始出現(xiàn)很快的熱蔓延，最后擴(kuò)展為整個(gè)電池系統(tǒng)的燃燒。

02
單個(gè)模組內(nèi)的熱失控
基本過程?

之前馮博做了很多的工作，也對(duì)這個(gè)過程建立了比較詳細(xì)的模型和機(jī)理的分析，這里只是進(jìn)一步描述一些現(xiàn)象。DUT 模組內(nèi)各個(gè)電芯熱失控的規(guī)律，我重新做了整理：黃色線是模組相鄰被激發(fā)電芯的溫度，灰色線是沒有熱失控前的溫度，藍(lán)色的線是電芯相繼出現(xiàn)熱失控的間隔時(shí)間。也就是說，實(shí)際在熱失控過程中一旦開閥以后，電池表面溫度在 400°C 到 550°C 之間，平均溫度 495°C；電芯表面溫度在 100°C 到 200°C 之間，平均溫度 144°C，會(huì)發(fā)生熱失控。這里的模組里面每個(gè)電芯之間是加了隔熱材料的，如下所示，所以整體的結(jié)果是在 60 分鐘以后傳遞到第二個(gè)模組

備注：這個(gè)表面溫度其實(shí)有些不準(zhǔn)確，后面會(huì)分析的

03
相鄰模組的熱失控傳播
熱失控

上方的第二個(gè)模組是在 66 分鐘以后出現(xiàn)連鎖的熱失控的情況，第三個(gè)模組 68 分鐘以后出現(xiàn)問題，而這一次在高溫烘烤下，模組的熱失控的過程都在 10 分鐘完成了。如下圖所示，在一定條件下整個(gè)熱失控的過程是無序的，下方噴閥火焰直接對(duì)上方的水冷板進(jìn)行了烘烤備注：我們可以看到環(huán)境溫度其實(shí)對(duì)模組內(nèi)電芯熱失控有影響，而直接的火焰和煙氣如果處理不善，哪怕有水冷板最終的結(jié)果也會(huì)使得電芯熱失控

三個(gè)模組內(nèi)的相鄰觸發(fā)事件差異

我們可以看到這個(gè)溫度點(diǎn)差異是有的，特別是有以下的一些考慮：?

相鄰模組：相鄰模組的速度，由于有模組間直接相連的母線排連接，使得這一組的電芯表面溫度很低就直接開閥了，甚至溫度還沒到我們預(yù)期的溫度?

雙層模組設(shè)計(jì)即使通過支架和水冷板隔開，如果噴閥過程沒有考慮過隔熱設(shè)計(jì)，這一個(gè)個(gè)電芯開閥的溫度就直接對(duì)著金屬支撐結(jié)構(gòu)和水冷板噴火，最終的結(jié)果是吸收大量的熱量，并且很均勻，使得表面溫度不高的情況下，也會(huì)很早開閥

三個(gè)模組的傳播過程概覽

這個(gè)是抓出來的溫度突變點(diǎn)，也就是電芯的表面熱失控之前的那一刻的溫度情況。總的來說，NCM111 的耐溫性還是很好的，523 要打折，811 則更要打折了。所以實(shí)際上，我們?nèi)绻胗媚＝M的溫度傳感器抓住這個(gè)溫度的變化，有一些困難，設(shè)計(jì)的 NTC 在這個(gè)過程中由于煙氣的原因，要么響應(yīng)不及時(shí)，要么那時(shí)候已經(jīng)損壞了，要仔細(xì)考慮 NTC 在這種破壞性的條件下怎么處理，我覺得可能的辦法，可能是建立一些類似感溫線這樣的特殊選型的 NTC 來應(yīng)對(duì)這個(gè)特殊溫度的采集，這個(gè)之前我也提過。

三個(gè)模組內(nèi)的熱失控溫度點(diǎn)

小結(jié)：我們?cè)谶@類 37Ah（164Wh/kg 且容量有限，并且是 1P 的使用）的經(jīng)典的設(shè)計(jì)中通過合理的布局，是完全可以控制住整個(gè)熱失控蔓延的過程，但是我們發(fā)展的方向是追求能量密度，追求體積利用率，這就帶來我們會(huì)失去足夠的間隙，失去足夠的緩沖空間，這里還是一個(gè)平衡，如何在一個(gè)范圍內(nèi)使得電芯不蔓延。