電動汽車動力電池熱失控高效檢測方法仿真研究

白玉婷, 吳 桐, 胡海亭

1.黑龍江科技大學 工程訓練與基礎實驗中心, 黑龍江 哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150022

目前,電動汽車選用的動力電池基本上以鋰離子電池為主,該電池具有能量密度高的特性,尤其是三元鋰離子電池。但是在一定惡劣條件下會產生熱失控現象,即在短時間內釋放大量的熱量。鋰電池熱失控導致的安全問題時常發生,故提高動力電池的安全性迫在眉睫[1]。因三元鋰電池內部材料和反應的特殊性,且其對溫度較為敏感,溫度過高時會引發一系列反應,發生熱失控現象,引發安全事故[2-3]。

引起電池熱失控的主要原因有內部短路、過充、過熱、擠壓、針刺等[4],近幾年國內外學者已經開始不斷探究三元鋰電池熱失控的原因和機理,并取得了一定成果。如王宏偉等[5]在不同環境溫度(-30、20、40 ℃)下,用3C電流對11 Ah的錳酸鋰電池進行過充實驗,另外以1C電流對錳酸鋰電池進行過放實驗,研究了錳酸鋰電池在不同環境溫度下的過充、過放特性及其失效機理。單明新等[6]以某款10 Ah的三元鋰離子電池為研究對象,分別以2C、3C、5C的過充電倍率進行過充,分析過充條件下鋰離子電池爆炸強度的影響機理。OUYANG Dongxu等[7]以鎳鈷錳鋰電池與磷酸鐵鋰電池為研究對象,并將兩種電池分別過充至不同的截止電壓(4.2、4.5、4.8、5.0 V),然后采集過充過程中的電流、電壓、電池表面溫度、火焰溫度和輻射熱通量等數值,研究了過充條件下鋰離子電池熱失控機理。劉磊等[8]以某款26 Ah的三元鋰電池為研究對象,研究了三元鋰電池在不同充電倍率下過充安全特性。隨著充電電流增加,電池熱失控就越快發生,熱失控時的最高溫度越高,熱失控的起始溫度就越低。朱曉慶等[9]將實驗用的三元鋰電池充滿電后,分別在2、1、1/2、1/3、1/5、1/8倍率下進行充電,研究了三元鋰電池在不同充電倍率下的過充特性。Koch等[10]基于確定的電池熱失控沖擊,選擇了一組各種可能的傳感器,并就其快速可靠的熱失控檢測能力進行了比較。Yokoshima等[11]使用配有X射線掃描儀的鋰離子電池內部短路觀察系統,對穿透試驗期間鋰離子電池的熱失控進行了研究。

以上主要是針對熱失控產生的誘因及其內在機理的研究,而對熱失控發生后如何實現快速檢測,及時發出報警信號,采取有效救援措施方面的研究還鮮見報道,基于此,筆者通過在動力電池系統內電芯模組的上蓋內集成導熱速率高的石墨片并增加一個溫度采集器,仿真分析了不同觸發位置發生熱失控時,原有溫度采集器與新增采集器的升溫速率,新增溫度采集器的溫度升溫速率更快,該研究可提高動力電池熱失控檢測的及時性。

1 熱失控機理分析

1.1 熱失控的機理變化過程

當電池內部達到80 ℃時,鋰離子電池正極高電勢金屬鋰離子會與電解液發生氧化還原反應,生成少量氣體。溫度進一步升高至90 ℃,負極固體電解質界面(Solid electrolyte interphase,SEI)膜亞穩定層逐漸轉化為穩定層,即SEI膜重構,該反應是放熱反應,反應速率與電池的溫度、電池剩余電量有關。當高于120 ℃時,SEI會發生分解,負極保護作用消失。當溫度超過130 ℃時,電池隔膜開始熔化,內部出現輕微短路,隨著隔膜的大面積熔化,正極材料與負極材料開始劇烈反應促使電解液燃燒,電池開始熱失控。該反應過程如圖1所示。由于熱失控的反應特性,溫度可作為評判電池是否發生熱失控的依據。

圖1 電池熱失控反應過程圖

動力電池在觸發熱失控時的主要表現為電壓顯著降低、溫度迅速上升。判定熱失控的評價指標有:(1)電壓降超過25%;(2)溫度大于閾值(60 ℃);(3)單位時間內升溫速率≥1 ℃/s且保持該速率3 s以上。至少滿足兩個指標,即認定為熱失控。本文就單位時間升溫速率及監測時間為研究對象進行改進研究。

1.2 熱失控檢測的難點

電動汽車的動力電池系統參數是根據電動汽車動力系統的工作電壓范圍以及整車行駛里程目標進行設計對應的電壓和電量,最終需要大量的電池單體進行串聯和并聯達到要求?，F在主流的電動汽車額定電壓為355 V,以三元鋰電池單體電壓為3.7 V為例,需要96串,根據電量要求不同可能會有一并或多并的連接方式,那么動力電池系統的電池單體數量需要96支到幾百支單體電芯組成。在評判電池是否發生熱失控時,溫度的獲取是通過溫度傳感的采集信號獲取,對于電池溫度的采集并不會每個電芯都進行單獨的溫度采集,原有的溫度采集只能感應部分單體電芯的溫度變化,對距離溫度傳感器較遠電池的溫度變化感應較慢。在檢測熱失控時有兩個難點,一是熱失控檢測的準確性,若造成誤判,會造成恐慌并降低對該車型的信任度,同時會因為誤執行防控措施導致整車部分功能不能正常運行;二是熱失控檢測的及時性,若熱失控觸發后檢測不及時,會延遲向整車發送信號,導致乘客不能第一時間離開現場,再就是防控措施不及時,無法有效抑制熱失控,最終可能導致整車著火。

2 結構模型的搭建

傳統的溫度傳感器采集位置如圖2所示,該模組由12支單體電池組成,2個溫度傳感器進行溫度采集。根據電池模組初期的結構模型進行熱仿真分析和產品實際測試結果,該采集位置涵蓋的電池單體的最高溫度和最低溫度,具有代表性。

圖2 傳統電池組溫度采集布置圖

該采集方式可以涵蓋整個電池組常規工作時的溫度分布范圍,但是對于熱失控狀態時,若距離溫度傳感器較遠位置的電池觸發熱失控時通過熱蔓延到溫度采集點處需要時間較長,這樣會影響溫度采集的及時性。

本文針對現有電池組的問題提出改進,當電池觸發熱失控時會在電池的防爆處泄氣,排除溫度較高的混合物氣體,首先高溫氣體會流經電池組上面的蓋板,將蓋板做成三層的“三明治”結構,中間層采用高導熱系數的石墨片,在石墨片的中間位置增加一個溫度傳感器,任意一支電池觸發熱失控蓋板都會迅速升溫,蓋板內的石墨由于有高導熱性能的特性,其內部的傳感器會快速采集溫升到達評判熱失控的閾值,從而實現快速檢測的目的。

本文參考某電池公司公布的電池系統布置方案為例進行分析,該結構共有6個區域,每個區域由兩個電池組組成,每個電池組為9支單體電池,共108支單體電池。本文以其中一個電池組即9支單體電池進行分析。如圖3所示。

建立的結構3D模型如圖4所示。模型中包括9支單體電池、連接排、上下蓋板、石墨片、3個溫度傳感器、傳感器空氣域,其中排氣孔作用是將電池系統熱失控時產生的氣體排到系統外部,防止內部壓力過大導致爆炸,該裝置亦稱防爆閥。模型中傳感器1和傳感器2的布置方式與傳統電池模組一致,即傳感器1在端部,傳感器2在中間,而本研究中所加入的傳感器3則布置在石墨片的中心位置。由于電池單體熱失控位置隨機,但石墨片高導熱性可快速感知溫度變化,因此當傳感器1、2失效時,位于電池中心與石墨相連的傳感器3可快速檢測溫度變化,判斷是否觸發熱失控。

圖3 電池系統結構分布圖圖4 結構模型分布圖

3 仿真模型搭建與計算

電池熱失控分析過程中,以電池產氣信息為主要分析邊界條件。YUAN Liming等[12]、ESSL等[13]研究了不同類型電池在熱失控時產氣特性和產氣成分,表明產氣主要成分是碳氫混合物。本文以某品牌160 Ah容量的電池為例,模擬分析熱失控時的產氣量和發熱量。該電池失控時產生氣體成分見表1。

表1 電池熱失控產氣成分

實測電池總產氣量為220 L,根據表1里的氣體成分及比例,利用氣體摩爾量,計算產氣的質量流量速率,并將其作為邊界條件計算產氣流動的流程和換熱溫場。

仿真模型中各材料的特性參數見表2。

表2 結構零件熱特性參數

仿真模型工作的環境溫度為23 ℃,運行時間20 s。本文以傳感器3為起點由近及遠選擇3個觸發位置進行仿真驗證,對比3個溫度傳感器溫度升至閾值。由于電池單體產生熱失控是隨機發生的,是由某個電池單體自身質量問題、電池在受到外部撞擊等機械損傷以及保護策略失效導致的,所以本文選取3個觸發位置通過仿真分析來驗證,如圖5所示,分別是inlet1、inlet2和inlet3。

圖5 熱失控觸發位置分布圖

通過仿真得出3個觸發位置對應的溫度傳感器的溫升曲線如圖6所示,其中inlet代表觸發位置對應數據,T sensor代表不同傳感器的數據。電池組溫度云圖如圖7所示。

圖6 不同觸發位置傳感器溫升曲線圖

圖7 不同觸發位置在20 s時溫度云圖

根據圖6得出,當觸發電池在不同位置時,不同的傳感器響應的時間不同,見表3。當在特定的觸發位置時,增加的石墨層傳感器3會比原有的傳感器響應速度更快,以觸發inlet2為例會快3.4 s,以觸發inlet3為例會快13.5 s,甚至更長,以觸發inlet1為例會比原有傳感器慢2.7 s。

表3 不同觸發位置各溫度傳感器采集時間

4 結論

本文通過在動力電池系統內電芯模組的上蓋內集成石墨片并增加一個溫度采集器的方法,對比分析了不同觸發位置發生熱失控時各溫度傳感器的響應時間,溫度采集器1的響應時間均大于20 s,溫度采集器2的響應時間分別為0.9 s、8.1 s、大于20 s,溫度采集器3的響應時間分別為3.6、4.7、6.5 s。新增傳感器3的響應時間除觸發位置1時,比傳感器2慢2.7 s,其余均比原有傳感器響應速度至少快3.4 s。該研究可為救援工作贏取寶貴的時間。

本研究工作的開展,可及時判斷熱失控的產生,縮短報警信號發出時間,實現了動力電池熱失控的快速檢測,后期期望在此基礎上優化溫度傳感器的布置位置以及數量,積累有效的實驗數據,對推動動力電池智能檢測與裝備應用具有重要的學術價值及實際意義。