锂离子动力电池系统热失控及模组内热扩展特性研究

摘要：锂离子动力电池系统热失控扩展是造成电动汽车火灾事故的主要原因之一。以某款方形锂离子电池构成的动力电池系统为试验对象，采用加热触发单个电芯热失控的方式，通过采集电芯的电压、温度等特征参数，对电芯热失控及在模组内热扩展特性进行分析与研究。试验结果表明，自触发电芯的电压值降至 0 V 开始，到热失控发生约 115 s；由电芯热失控诱发热扩展过程较为短暂，本案例中自触发电芯发生热失控后约15 s引发第二节电芯热失控，305 s后整个模组电压降为0 V；发生热失控瞬间，伴随烟气、火焰产生，触发电芯所在模组温度最高超过1 200 ℃，采用喷淋灭火，也发生复燃5次，完全熄灭后仍有气体释放。

前言

新能源汽车产业技术路线明晰，市场空间广阔，对促进实体经济、扩张战略性新兴产业、促进创新创业、扩大居民消费、推动绿色低碳发展等诸多任务目标起到牵引和协同的作用，受到了各级政府、资本市场和产业主体的高度关注，汇集了大量的资源和要素。2015年以来，我国新能源汽车市场规模保持了60%左右的年均增速。2021年中国新能源汽车成为汽车行业最大亮点，连续7年销量全球第一。截至 2021 年底，全国新能源汽车保有量达784万辆，占汽车总量的2.6%。未来新能源汽车还将在中长期作为整个汽车市场增长的支撑因素和重要增长点持续存在，按照《新能源汽车产业发展规划（2021-2035 年）》，到 2025 年我国新能源汽车年销量预计为530万辆，新能源汽车保有量将达2 000万辆。

然而，随着我国新能源汽车保有量日趋增高，由此带来的车辆自燃、电池性能衰减、车辆充电故障等汽车安全问题已不容忽视。截至 2021 年底，我国已累计召回新能源汽车 229 次，涉及 198 万辆。仅2021年，国内新能源汽车累计召回559 241辆，同比暴增1 103.99%，占召回总量6.4%，其中因动力电池缺陷而召回的新能源车型，涉及多个汽车品牌，召回数量共计73 743辆。电芯热失控是动力电池故障的主要原因之一，因此通过采集特征参数，研究电芯热失控及在模组范围内热扩展的特性至关重要[1]。

目前，锂电池电芯封装形式主要有方形、圆柱和软包三种，不同的封装结构具有不同的特性，近些年国内外学者对不同封装形式的电池热失控行为进行了较多研究［2-8］ 。方形锂电池通常是以铝或钢作为外壳材料，因其具有高封装可靠度、系统高能量效率、高能量密度等优点，在国内具有更为广泛的市场应用空间，因此，本文以采用三元材料（NCM523）的方形电芯构成的动力电池系统作为研究对象，选择加热作为热失控触发方式，通过采集不同位置的温度、电压等特征参数，分析研究热失控发生及扩展特性，以期为动力电池系统监控及保护策略设置奠定基础。

1、试验对象与方法

1.1 试验对象

本文试验对象为 149×27×92 mm 方形电芯组成的电池系统，额定容量为80Ah，试验前电池系统的SOC为95%，其主要信息参数如表1所示。

电池系统内部模组串接编序、模组温度采样点位置的实物图见图1，示意图见图2。自电池系统的总负极至总正极的模组编号依次为 M1-M6，电编号依次为C1-1、C1-2到C24-1、C24-2，在水平面上呈两排并行分布，其对应的电压编号分别为V1-V24。单节电芯的正、负极通过铜镍复合板并联成组，电压采集点布置于各电芯组的极耳连接处，模组之间无隔热防护材料。触发电芯为电池系统右侧中间位置的 C5-1 电芯，在 C5-1 电芯所在的模组M2（包含C5-1、C5-2到C8-1、C8-2总计8个电芯）的各电芯侧平面中间位置额外布置温度采样点，编号为T32-T25。T33为加热片温度采样点，空间上T32-T25距离T33为由近及远。

1.2 试验方法

本文选用加热的方式作为热失控触发方式，将加 热 膜 布 置 于 C5-1 电 芯 的 侧 平 面 。GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》附录C中的加热装置功率要求如表2所示，当触发对象电能E＜100 Wh，加热装置最大功率选择范围为30～300 W［9-10］ 。为便于观测热失控过程前后的参数变化情况，选取加热装置的最大功率为 300 W。为观察热失控后引发热扩展情况，试验前打开电池系统上盖板；设置温度、电压采样频率为 1 Hz，开始记录时间为 15:02:08，电芯加热起始时间为15:02:28。触发电芯热失控的判断条件如下：

1) 触发单体产生电压降，且下降值超过初始电压的25%。

2) 监测点温度达到规定的最高工作温度。

3) 监测点的温升速率 dT/dt ≥ 1 °C/s，且持续3 s以上。

当1)和3)或2)和3)发生时，判定发生单体热失控。

2 试验结果分析

2.1 试验进程

试验进程中各关键事件发生时间节点与实物照片如图3所示。

由图3可知，对电芯开始加热前20 s打开温度、电压采样记录仪，加热开始后 1 874 s 出现迸发火焰，电芯热失控后迅速诱发电池系统起火，随着热失控扩展不断有新的电芯发生热失控并形成火势迅速蔓延，伴随火焰迸溅火势不断增大，且有大量黑色烟雾冒出，逐渐充满整个电池系统并持续燃烧，火焰高度约为 1.5 m，温度最高超过 1 200 ℃，881 s 后开始沉水灭火，过程中火焰熄灭后又发生复燃5次，最终火焰完全熄灭后有大量水泡，表明电池在继续释放气体。

2.2 被加热电芯采样特征分析

基于电芯层面的采样数据，选取自采样开始后1 ~1 950 s阶段、1 760~1 950 s阶段，对触发电芯进行分析，其温度、电压及温升速率-时间曲线如图4、图5、图6所示。

由图4、图5、图6可知：

1）自采样开始到加热开始中间有20s，此为前置时间。加热开始后第50s，触发电芯（C5-1）侧面的加热膜温度信号T33达到该电池系统的最高工作温度55 ℃；第918 s触发电芯的另一侧面温度信号T32达到55 ℃；第1760s，触发电芯的电压值V5由4.04 V骤降至0 V，此时T33已达到320.6 ℃，T32已达到99.8 ℃。

2）加热开始后第1 873~1 875 s，T33和T32的温升速率dT/dt连续3 s大于 1 ℃/s，分别为2.4 ℃/s、1.9 ℃/s、1.5 ℃/s，2.5 ℃/s、12.2 ℃/s、22.9 ℃/s，触发热失控判断条件。因此，加热开始后第 1 875 s（即自采样开始第1 895 s）可认为是热失控发生起点，该点的 T33 温度值为 334.4 ℃，T32 温度值为145.8 ℃。

3）在触发热失控之前，T33 的温升速率较 T32更高，T33的温度-时间曲线呈波浪式攀升，T32的温度-时间曲线较为匀速地上升。而在热失控之后，T32的温升速率急剧攀升超过T33，这可能是因为触发电芯热失控瞬间，火焰迸发的位置更贴近T32处，使得T32的温度在短时间迅速上升，具体为55 s内由145.8 ℃上升至738.7 ℃，最大温升速率达到了90.1 ℃/s

2.3 相邻电芯采样特征分析

基于相邻电芯的采样数据，在触发电芯热失控后，邻近电芯V6、V7、V8的电压-时间曲线如图7所示。V6、V7、V8 的电压分别在热失控发生后 58 s、178 s、305 s 降至 0 V；并且 V6 从 4V 降至 0V 经过12 s，V7 从 4V 降至 0V 经过 14 s，V8 从 4V 降至 0V经过 68 s。这与 V6、V7、V8 距离触发电芯 V5 的位置远近有一定的对应关系，说明热失控由V5位置处逐渐向外扩散。

热失控扩散过程中电芯电压出现的波动，其原因除电芯内部复杂的电化学反应以外，还可能是因为模组内完全热失控并非一蹴而就，未完全失控电芯为平衡电压变化，对电压变低的电芯进行了补电。当整个模组完全热失控时，V6、V7、V8 的电压才趋稳于0 V。T25、T26、T27、T28、T29、T30、T31 的温度-时间曲线如图 8 所示。电芯采样点 T31、T30、T29、T28、T27、T26、T25，在温度上升的阶段表现上有着较为明显的时间先后特征，分别在第 1 945 s、1982s、2063s、2098s、2134s、2 152s、2 241s达到了400 ℃以上，总体符合各温度采样点在物理空间上的分布，T32距离触发点T33最近，因此受热辐射距离最短，温升也最快。

T25、T26、T27、T28、T29、T30、T31 的温升速率-时间曲线如图 9 所示。当第 1 895 s 热失控发生时，T31、T30、T29、T28、T27、T26、T25 分别为66.9 ℃、44.5 ℃、34.8 ℃、31.9 ℃、31 ℃、30.4 ℃、30.6 ℃，此时T31的温度虽然已超出该电池系统的最高工作温度要求，采样温度特征已达到标准中电芯热失控的判断条件，但温升速率并没有较大突变，可以判断触发电芯热失控时并未有新的电芯继续发生热失控。

当第1 908 s、1 909 s、1 910 s时，T31的温升速率分别达到1 ℃/s、1.1 ℃/s、1.1 ℃/s，因此，可判断为C5-2电芯也触发了热失控。从C5-1电芯发生热失控至其相邻最近的C5-2电芯发生热失控，其传导时间为15 s，说明热失控的扩展过程时间较为短暂。在C5-2触发热失控后又分别经过27 s、45 s，C6组电芯、C7组电芯分别触发热失控，这说明邻近电芯由于受到热失控电芯的热传导影响，依据距离远近相继触发了自身的热失控，为典型的热失控扩展现象。

C8 组电芯比较特殊，其在 C5-2 电芯发生热失控后的 25 s 就触发热失控，这可能是由于触发电芯发生热失控产生火焰时内部高温飞溅物喷射等因素，造成相距较远的 C8 组电芯更早触发热失控，说明当热失控伴随火焰产生时，由于燃烧的不稳定性，存在距离较远的电芯被更早触发热失控的可能。

3 总结

本文通过试验的方式，对方形锂离子电池系统进行热失控扩展分析，研究结论如下：

1）由电芯热失控诱发热扩展过程较为短暂。本案例中自触发电芯发生热失控后约15 s的时间就引发第二节电芯热失控，305 s后整个模组（2并4串）电压降为 0 V。因此在电池内部结构设计时应考虑设计加装耐温防爆性材料，延缓热扩散过程。

2）电池系统发生热失控并伴随燃烧产生时，一方面由于热传导影响，会依据距离远近相继触发更多电芯的热失控，此为典型的热失控扩展现象。另一方面由于燃烧的不稳定性、高温飞溅物喷射等影响，存在距离较远的电芯被更早触发热失控的可能。

3）电池系统发生热失控瞬间，伴随烟气、火焰产 生 。 触 发 电 芯 所 属 模 组 的 温 度 最 高 超 过1 200 ℃，火焰高度约为1.5 m，采用喷淋灭火的处理方式，发生复燃5次，完全熄灭后仍有气体释放。因此，在面对已经发生热失控的电池包时，需穿备好防毒面罩、防火衣、绝缘鞋等系列防护措施，方可实施近距离救援。

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本文第一作者：钱凯程（1991-01-），男，本科，工程师，专业为动力电池质量控制与安全测评