锂离子动力电池组热失控扩展防护研究进展

邹振耀，田相军，王盼盼，凌 泽

（重庆车辆检测研究院有限公司，国家客车质量监督检验中心，电动汽车安全评价重庆市工业和信息化重点试验室，重庆401122）

0 引言

锂离子动力电池作为新能源电动汽车的动力源，具有污染小、噪声小、结构简单、维护方便、能量转换效率高等优点。由于单体电池无法满足电动汽车的要求，通常电动汽车用动力电池是由单体电池通过串并联组成的电池组构成的。通常把电池组中的某一单体电池内部发生一系列反应形成不可控升温导致着火、爆炸的现象叫做热失控。单一电池热失控释放出的能量是有限的，但是单一电池触发热失控释放的能量会触发周围其他电池单体发生热失控形成连锁反应，最终会导致整个电池组的爆炸、燃烧，释放出更大数量级的能量，造成极大的破坏。因此，动力电池组热失控扩展防护研究对促进电动汽车行业的发展具有重大意义。

1 热失控扩展的影响因素

1.1 动力电池组合方式

研究者们发现，电池组不同的组合方式会对电池热失控扩展产生一定的影响。LAMB等［1］对简单串、并联的18650电池组通过针刺触发热失控进行实验，结果发现并联电路容易发生热失控扩展。原因是并联电路中单体电池内部短路后，周围电池向短路电池放电，促使短路电池内部温度升高，而周围电池输出功率较远端电池更大，导致升温速率加快。因此，并联电路热失控单体及周围单体电池升温更快，更易发生热失控扩展。LOPEZ等［2］通过仿真实验研究分析发现，并联电路蜿蜒式分布比分支式分布更易引发热失控。

1.2 电池组与环境之间的热传导

热失控电池不及时与环境发生热交换，进行散热降温，那么热失控电池释放的热量就会聚集起来，使周围电池温度快速升高直至产生热失控扩展。

胡棋威［3］分别在敞开体系和封闭体系中对几种不同容量的电池通过加热方式触发热失控。结果发现：封闭体系比敞开体系更易发生热失控扩展，原因是敞开体系中热失控单体产生的火焰不足以加热周围单体至热失控。

SPOTNITZ等［4］通过仿真模拟研究发现：对于由圆柱电池组成的电池组，电池组与环境之间的散热条件越好，越难发生热扩展。

1.3 电池之间的热传导

电池之间的热传导越快，热失控电池释放的热量越容易向周围电池传导，越容易引发热失控扩展。电池的形状、电池的排列和连接都会对电池之间的热传导产生影响。

LAMB等［1］研究发现，方形软包电池串联模组比圆柱形电池串联模组更容易发生热扩展。这是因为圆柱形电池串联模组尽管排列紧密，但圆柱形的几何结构使电池间的接触面积较小，热失控电池对周围电池传递热量较少，不足以触发周围电池的热失控；而方形软包电池之间有较大的接触面积使热量传递容易，导致热扩展更易产生。

WU等［5］分析了方形铝壳电池模组中的热传导途径，结果发现：热失控电池的热量传导主要通过壳体进行，而极柱连接片传递的热量相对较小。

KIM等［6］通过仿真分析发现：电池极柱连接片越宽，电池通过极柱传导给周围电池的热量就越多，越容易发生热失控扩展。

1.4 高温喷射物及火焰

热失控电池的高温喷射物及火焰蕴含着大量能量，也是引起热失控扩展的重要因素之一。

LIU等［7］发现：电池单体燃烧放出的热量大约是储存能量的3倍，燃烧释放出更多能量，产生火焰直接加热周围的电池，加速热扩展发生。

胡棋威［3］研究了封闭环境下的热扩展，结果发现由于封闭环境热量难以散发到环境中，火焰的灼烧和高温喷射物有可能使热失控电池的非相邻电池先发生热失控。

还有其他学者研究同时证明：由热失控电池喷射出的高温物质是周围电池引发热失控重要因素，促进了热失控扩展的发生［1-2，8］。

2 热失控扩展防护措施

通过对热失控扩展影响因素的分析，热失控扩展的防护要在阻止电池之间的热传递、促进热失控与环境温度的交换、降低电池温度3个方面进行。

2.1 热阻隔技术

热阻隔技术是使用隔热板将热失控电池与未发生电池隔离开来，阻断热失控单体热量、火焰和高温喷射物的传播。COLEMAN 等［9］、 KIZILEL 等［10］对圆柱体电池模组的研究中发现，增大电池之间的间隙可以减少热传递，使更多的热量传递到环境中，从而抑制了热失控扩展的发生。

由于隔热板填充在电池之间，有可能对热失控电池的散热产生不良影响，研究者通常采用预留一定间隙的方法来避免这种不良影响。MUNIZ［11］设计出一种在方形电池间使用的不完全封闭的隔热层，这种隔离层能够阻断热失控电池和周围电池的热传导，同时不完全封闭的设计使电池之间有空气对流，有利于散热，避免局部温度过高。CHEN等［12］通过模拟仿真探究了隔热板厚度对热失控的阻隔作用，研究结果发现：当隔热板在一定厚度时，能够在保证热管正常工作的前提下，又可阻断热失控。LI［13］在热失控电池周围包裹一层导热系数约为0.03 W／（m·K）隔热防火材料，同时保持电池间2 mm的间距，大大减小了周围电池受到的热辐射，能够有效阻止热失控扩展。

2.2 增强冷却技术

（1） 空气散热

空气散热利用风扇类设备制造空气流动来带走电池的热量，这种散热是当今最为常见、也是最简易的方式。

MOHAMMADIAN和ZHANG［14］的研究表明：采用风扇散热能够有效降低电池的整体温度及温度均匀度，并且空气流速越快电池最高温度下降越明显。

GIULIANO等［15］采用了一种采用金属泡沫基换热板材料的风冷系统，由于泡沫基材料增加了电池与空气的换热面积，有效增加了散热效率。

部分汽车厂商采用了空调制冷与风冷系统双管齐下的方式进行空气散热，如丰田Prius，大大增加了风冷散热的效果。

（2） 液冷散热

由于水的比热容比较高，研究者发现液冷散热相比风冷散热温度均匀性更好、安全性更高。XU等［16］设计了一种微通道液冷系统，结果表明：在微通道里液流速度为10 L／s的情况下，虽然不能阻止单体电池发生热失控，但是能够有效防止电池间的热失控传播。

ZHAO等［17］开发出一种基于聚丙烯酸钠的柔性水凝胶，可以以任意形状插入在锂离子电池中间，增大与电池的接触面积。这种凝胶含99%的水，具有高比热容和高阻抗，同时加强了液冷效果和电池的安全性。测试表明采用这种柔性水凝胶系统的电池组能够承受一系列高强度放电和异常放热过程。

（3） 相变散热

采用相变材料 （Phase Change Material，PCM）作为一种散热方式最早由HALLAJ和SELMAN［18］提出。PCM具有较大的相变潜热，当温度达到PCM相变点时可吸收大量热量，能够维持周围温度，使电池温度不能剧烈升高。因此相变材料能够迅速将电池热失控产生的热量吸收，控制环境温度，抑制热失控的扩散。

相变材料的缺点是导热性较差，不能及时将热失控电池释放出的热量及时导出，制约了其散热效果。因此，学者们对相变散热进行了各种改进研究。KIZILEL等［19］利用石墨增加PCM的导热性，在滥用条件下能够有效阻止电池热失控的发生。COLEMAN等［20］通过仿真验证了相变材料与液冷散热相结合的方式能够有效抑制热失控扩展。

2.3 阀泄通道设计

合理的阀泄通道设计能够疏导火焰和高温喷射物，避免直接加热电池单体，阻止热扩展。CHOW［21］和胡棋威［3］都为每个电池单体设计了阀泄通道，当电池发生热失控时，高温喷射物与火焰通过阀通道泄出，避免高温喷射物与火焰对周围电池产生影响，从而阻断热失控的传播。

2.4 应急安全技术

应急安全技术是指当其他防护措施仍不能阻止热失控扩展的发生时，通过主动喷射惰性气体、制冷剂等，达到迅速降低电池温度、熄灭火焰的目的。

胡棋威［3］研究了液氮喷淋的方式对热失控扩展阻断效果，结果表明：在合适的时机下，液氮产生的低温惰性气体能够瞬间熄灭发生热失控电池的火焰，同时给电池及高温喷射物降温，有效阻断热失控传播。

PRILUTSKY和HERMANN［22］设计了装有冷却剂的喷淋管，喷淋管上的开阀点会因温度的升高而开阀，当电池发生热失控时，喷淋管上的开阀点会自动打开同时喷淋冷却剂对电池进行降温灭火。

BANDHAUER和FARMER［23］设计了一种装有冷却剂的高压罐，当BMS发出热失控信号时，高压制冷剂通过设定的通道喷出，快速冷却电池，阻止热失控蔓延。

袁格年等［24］展示了一种主动灭火装置，采用了一种清洁、无毒、可清理的灭火材料。当火灾探测装置感应到危险信号，灭火装置将立刻启动，及时灭火，阻止热扩散。

3 结论

热阻隔是控制热失控扩展的重要方式之一，隔热材料以及隔热装置的设计是未来主要的研究方向。冷却技术是保证电池能在正常的工作温度范围的前提，现在大部分研究是关于电池系统在正常工况下的散热，而热失控发生时空气散热有可能引入更多氧气促进热失控电池的燃烧，因此液冷散热、相变散热、应急安全技术三者之间的耦合使用会更有前景。锂离子动力电池的热失控扩展防护是一个系统性工程，对电池组安全防护设计的同时要考虑稳定性、经济性、复杂性、实用性。目前有关热失控扩展防护的研究大多是一些简化的试验和模拟仿真，应综合电池模组设计、散热系统管理、安全设计等方面开展进一步的研究工作。