电动汽车动力电池热失控高效检测方法仿真研究

白玉婷, 吴 桐, 胡海亭

1.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心, 黑龙江 哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150022

目前,电动汽车选用的动力电池基本上以锂离子电池为主,该电池具有能量密度高的特性,尤其是三元锂离子电池。但是在一定恶劣条件下会产生热失控现象,即在短时间内释放大量的热量。锂电池热失控导致的安全问题时常发生,故提高动力电池的安全性迫在眉睫[1]。因三元锂电池内部材料和反应的特殊性,且其对温度较为敏感,温度过高时会引发一系列反应,发生热失控现象,引发安全事故[2-3]。

引起电池热失控的主要原因有内部短路、过充、过热、挤压、针刺等[4],近几年国内外学者已经开始不断探究三元锂电池热失控的原因和机理,并取得了一定成果。如王宏伟等[5]在不同环境温度(-30、20、40 ℃)下,用3C电流对11 Ah的锰酸锂电池进行过充实验,另外以1C电流对锰酸锂电池进行过放实验,研究了锰酸锂电池在不同环境温度下的过充、过放特性及其失效机理。单明新等[6]以某款10 Ah的三元锂离子电池为研究对象,分别以2C、3C、5C的过充电倍率进行过充,分析过充条件下锂离子电池爆炸强度的影响机理。OUYANG Dongxu等[7]以镍钴锰锂电池与磷酸铁锂电池为研究对象,并将两种电池分别过充至不同的截止电压(4.2、4.5、4.8、5.0 V),然后采集过充过程中的电流、电压、电池表面温度、火焰温度和辐射热通量等数值,研究了过充条件下锂离子电池热失控机理。刘磊等[8]以某款26 Ah的三元锂电池为研究对象,研究了三元锂电池在不同充电倍率下过充安全特性。随着充电电流增加,电池热失控就越快发生,热失控时的最高温度越高,热失控的起始温度就越低。朱晓庆等[9]将实验用的三元锂电池充满电后,分别在2、1、1/2、1/3、1/5、1/8倍率下进行充电,研究了三元锂电池在不同充电倍率下的过充特性。Koch等[10]基于确定的电池热失控冲击,选择了一组各种可能的传感器,并就其快速可靠的热失控检测能力进行了比较。Yokoshima等[11]使用配有X射线扫描仪的锂离子电池内部短路观察系统,对穿透试验期间锂离子电池的热失控进行了研究。

以上主要是针对热失控产生的诱因及其内在机理的研究,而对热失控发生后如何实现快速检测,及时发出报警信号,采取有效救援措施方面的研究还鲜见报道,基于此,笔者通过在动力电池系统内电芯模组的上盖内集成导热速率高的石墨片并增加一个温度采集器,仿真分析了不同触发位置发生热失控时,原有温度采集器与新增采集器的升温速率,新增温度采集器的温度升温速率更快,该研究可提高动力电池热失控检测的及时性。

1 热失控机理分析

1.1 热失控的机理变化过程

当电池内部达到80 ℃时,锂离子电池正极高电势金属锂离子会与电解液发生氧化还原反应,生成少量气体。温度进一步升高至90 ℃,负极固体电解质界面(Solid electrolyte interphase,SEI)膜亚稳定层逐渐转化为稳定层,即SEI膜重构,该反应是放热反应,反应速率与电池的温度、电池剩余电量有关。当高于120 ℃时,SEI会发生分解,负极保护作用消失。当温度超过130 ℃时,电池隔膜开始熔化,内部出现轻微短路,随着隔膜的大面积熔化,正极材料与负极材料开始剧烈反应促使电解液燃烧,电池开始热失控。该反应过程如图1所示。由于热失控的反应特性,温度可作为评判电池是否发生热失控的依据。

图1 电池热失控反应过程图

动力电池在触发热失控时的主要表现为电压显著降低、温度迅速上升。判定热失控的评价指标有:(1)电压降超过25%;(2)温度大于阈值(60 ℃);(3)单位时间内升温速率≥1 ℃/s且保持该速率3 s以上。至少满足两个指标,即认定为热失控。本文就单位时间升温速率及监测时间为研究对象进行改进研究。

1.2 热失控检测的难点

电动汽车的动力电池系统参数是根据电动汽车动力系统的工作电压范围以及整车行驶里程目标进行设计对应的电压和电量,最终需要大量的电池单体进行串联和并联达到要求。现在主流的电动汽车额定电压为355 V,以三元锂电池单体电压为3.7 V为例,需要96串,根据电量要求不同可能会有一并或多并的连接方式,那么动力电池系统的电池单体数量需要96支到几百支单体电芯组成。在评判电池是否发生热失控时,温度的获取是通过温度传感的采集信号获取,对于电池温度的采集并不会每个电芯都进行单独的温度采集,原有的温度采集只能感应部分单体电芯的温度变化,对距离温度传感器较远电池的温度变化感应较慢。在检测热失控时有两个难点,一是热失控检测的准确性,若造成误判,会造成恐慌并降低对该车型的信任度,同时会因为误执行防控措施导致整车部分功能不能正常运行;二是热失控检测的及时性,若热失控触发后检测不及时,会延迟向整车发送信号,导致乘客不能第一时间离开现场,再就是防控措施不及时,无法有效抑制热失控,最终可能导致整车着火。

2 结构模型的搭建

传统的温度传感器采集位置如图2所示,该模组由12支单体电池组成,2个温度传感器进行温度采集。根据电池模组初期的结构模型进行热仿真分析和产品实际测试结果,该采集位置涵盖的电池单体的最高温度和最低温度,具有代表性。

图2 传统电池组温度采集布置图

该采集方式可以涵盖整个电池组常规工作时的温度分布范围,但是对于热失控状态时,若距离温度传感器较远位置的电池触发热失控时通过热蔓延到温度采集点处需要时间较长,这样会影响温度采集的及时性。

本文针对现有电池组的问题提出改进,当电池触发热失控时会在电池的防爆处泄气,排除温度较高的混合物气体,首先高温气体会流经电池组上面的盖板,将盖板做成三层的“三明治”结构,中间层采用高导热系数的石墨片,在石墨片的中间位置增加一个温度传感器,任意一支电池触发热失控盖板都会迅速升温,盖板内的石墨由于有高导热性能的特性,其内部的传感器会快速采集温升到达评判热失控的阈值,从而实现快速检测的目的。

本文参考某电池公司公布的电池系统布置方案为例进行分析,该结构共有6个区域,每个区域由两个电池组组成,每个电池组为9支单体电池,共108支单体电池。本文以其中一个电池组即9支单体电池进行分析。如图3所示。

建立的结构3D模型如图4所示。模型中包括9支单体电池、连接排、上下盖板、石墨片、3个温度传感器、传感器空气域,其中排气孔作用是将电池系统热失控时产生的气体排到系统外部,防止内部压力过大导致爆炸,该装置亦称防爆阀。模型中传感器1和传感器2的布置方式与传统电池模组一致,即传感器1在端部,传感器2在中间,而本研究中所加入的传感器3则布置在石墨片的中心位置。由于电池单体热失控位置随机,但石墨片高导热性可快速感知温度变化,因此当传感器1、2失效时,位于电池中心与石墨相连的传感器3可快速检测温度变化,判断是否触发热失控。

图3 电池系统结构分布图图4 结构模型分布图

3 仿真模型搭建与计算

电池热失控分析过程中,以电池产气信息为主要分析边界条件。YUAN Liming等[12]、ESSL等[13]研究了不同类型电池在热失控时产气特性和产气成分,表明产气主要成分是碳氢混合物。本文以某品牌160 Ah容量的电池为例,模拟分析热失控时的产气量和发热量。该电池失控时产生气体成分见表1。

表1 电池热失控产气成分

实测电池总产气量为220 L,根据表1里的气体成分及比例,利用气体摩尔量,计算产气的质量流量速率,并将其作为边界条件计算产气流动的流程和换热温场。

仿真模型中各材料的特性参数见表2。

表2 结构零件热特性参数

仿真模型工作的环境温度为23 ℃,运行时间20 s。本文以传感器3为起点由近及远选择3个触发位置进行仿真验证,对比3个温度传感器温度升至阈值。由于电池单体产生热失控是随机发生的,是由某个电池单体自身质量问题、电池在受到外部撞击等机械损伤以及保护策略失效导致的,所以本文选取3个触发位置通过仿真分析来验证,如图5所示,分别是inlet1、inlet2和inlet3。

图5 热失控触发位置分布图

通过仿真得出3个触发位置对应的温度传感器的温升曲线如图6所示,其中inlet代表触发位置对应数据,T sensor代表不同传感器的数据。电池组温度云图如图7所示。

图6 不同触发位置传感器温升曲线图

图7 不同触发位置在20 s时温度云图

根据图6得出,当触发电池在不同位置时,不同的传感器响应的时间不同,见表3。当在特定的触发位置时,增加的石墨层传感器3会比原有的传感器响应速度更快,以触发inlet2为例会快3.4 s,以触发inlet3为例会快13.5 s,甚至更长,以触发inlet1为例会比原有传感器慢2.7 s。

表3 不同触发位置各温度传感器采集时间

4 结论

本文通过在动力电池系统内电芯模组的上盖内集成石墨片并增加一个温度采集器的方法,对比分析了不同触发位置发生热失控时各温度传感器的响应时间,温度采集器1的响应时间均大于20 s,温度采集器2的响应时间分别为0.9 s、8.1 s、大于20 s,温度采集器3的响应时间分别为3.6、4.7、6.5 s。新增传感器3的响应时间除触发位置1时,比传感器2慢2.7 s,其余均比原有传感器响应速度至少快3.4 s。该研究可为救援工作赢取宝贵的时间。

本研究工作的开展,可及时判断热失控的产生,缩短报警信号发出时间,实现了动力电池热失控的快速检测,后期期望在此基础上优化温度传感器的布置位置以及数量,积累有效的实验数据,对推动动力电池智能检测与装备应用具有重要的学术价值及实际意义。