【干货】动力锂电池系统安全性问题之扩展

在前两文中，我们对锂动力电池近些年的安全事故进行了回顾与分析，并对安全问题的“演变”和“触发”层次进行了分析，这里我们继续与大家分析安全事故最后一个层次”扩展“的机理。

4.锂动力电池安全事故扩展

热失控触发后，局部单体热失控后释放的热量向周围传播，将可能加热周围电池并造成周围电池的热失控，也称之为热失控在电池组内的“扩展”。单体电池热失控所释放的能量是有限的，但是如果发生链式反应造成热失控的扩展，整个电池组的图6 事故触发的分类 能量通过热失控释放出来，将会造成极大的危害。

图4、图5 所示的25 A·h 三元锂离子电池（具有约0.1kW·h 的电能）热失控时释放出的能量约为630 kJ，相当于0.15 kg TNT当量。对于一个具有60 kW·h 的纯电动车的动力电池系统而言，如果所有单体由于热失控扩展而释放出全部能量，将会相当于释放出90 kg TNT当量的能量。也就是说，热失控扩展一旦发生，造成的危害将会很大。因此，人们需要防范热失控扩展的发生，把热失控局限于部分单体。

热失控扩展的机理

从能量守恒的角度而言，当热失控单体的周围电池受到的热失控扩展造成的加热功率大于其本身的散热功率时，受到加热的周围电池的温度就会升高，继而发生热失控触发。如图7（a）所示的方形电池模块内，热失控扩展过程中的热量传递有3条可能的主要路径

1）相邻电池壳体之间的导热；

2）通过电池极柱的导热；

3）单体电池起火对周围电池的炙烤。

壳体导热与极柱导热的两条路径主要作用于相邻电池之间，容易分析与控制。

对于方形电池而言，在壳体与壳体之间接触良好的情况下，通过壳体的导热要远大于极柱的导热。而对于圆柱形电池模块而言，如图7（b）所示，单体与单体之间的传热还可能需要考虑热辐射的影响。

而起火炙烤既可以作用于相邻电池，也可以作用于周围的电池系统附件，评估其对于电池系统造成的危害会更加复杂与困难。有研究表明，电池起火燃烧放出的热量要高于不起火时单纯热失控放出的热量。发生起火后，火焰一般附着在热失控电池阀体周围。同时，由于火焰的外焰温度最高，因此阀体开启方向上的电池及附件受到的加热最为剧烈。

另外，从设计角度看，电池系统本身具有一定的密闭性，热失控产生的高温气体来不及扩散，也可能会加热周围的电池。

防范热失控扩展与电池系统设计的矛盾

根据热失控扩展的机理，可以有针对性地设计防范热失控扩展的方案。

首先，需要防止火焰的发生。可以通过阀体喷射方向的设计，来引导火焰的生成方向；也可以加入灭火剂来进行灭火。当然，动力电池系统通过了安全性测试标准，火焰发生的概率已经得到降低；同时，动力电池系统密封性良好使电池系统内部氧气含量不足，也不利于火焰的生成与发展。

其次，要考虑高温气体扩散对电池系统其他部件的影响。部分电池已经具有能够及时排出高温气体的系统。

同时，要适当阻隔电池之间的传热路径，如在单体电池之间设置隔热层。需要注意的是，在热管理中，电池壳体间可能预留有空气空隙以供风冷，并将相邻电池隔开。但是在热失控扩展过程中，热失控电池膨胀，空气空隙将因为电池的膨胀而消失。此时，电池与电池之间的传热仍然是快速导热，用单纯预留空气空隙的方法防范热失控扩展是行不通的。

另外，可以通过在单体热失控触发之后，增强电池系统内部的散热；将故障电池周围的电池进行放电；在电池之间填充相变材料吸收热量等方法来抑制热失控的扩展。

然而，防范热失控扩展的设计与电池系统的其他功能设计存在一定的矛盾。阻隔传热路径的方法可能造成电池组内部温度不均匀程度的加剧，这与电池组热管理设计中，温度一致性的设计目标相矛盾。另外，增加灭火、排气、隔热等措施，均会降低电池系统比能量，增加电池系统的设计成本。

如何合理地配置安全性措施，以防范热失控扩展的发生，同时考虑电池系统性能指标和设计成本，是电池系统安全性设计的重要议题之一。

动力电池系统安全性问题主要分为3个层次，即“演变”、“触发”与“扩展”。动力电池安全性事故发生之前，应通过系统算法对安全事故进行预警。热失控触发发生后，应防止热失控扩展的发生。热失控扩展过程机理的进一步认识有助于优化设计方案，降低安全性事故造成的损害。进一步深入研究安全性问题各个层次的机理及其演变过程，提出有效的事故防范措施和安全性监控措施，是下一步研究的工作重点。