基于正交試驗(yàn)的鋰離子電池?zé)崾Э胤抡?/h1>
2023-05-15 12:13胡力月姚行艷
儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù) 2023年4期
胡力月，姚行艷
（重慶工商大學(xué)人工智能學(xué)院，重慶 400067）
鋰離子電池作為新能源汽車的核心部件，其安全性能得到大家廣泛關(guān)注，尤其是最近頻發(fā)的因鋰離子電池?zé)崾Э囟鴮?dǎo)致的安全問(wèn)題，成為最近幾年研究的焦點(diǎn)。熱濫用、機(jī)械濫用和電濫用是導(dǎo)致電池?zé)崾Э匕l(fā)生的主要誘因[1-2]，其本質(zhì)是各種濫用情況下引起電池隔膜崩塌，導(dǎo)致電池陰陽(yáng)兩極直接接觸，產(chǎn)生內(nèi)短路。針刺試驗(yàn)是常見(jiàn)的模擬電池內(nèi)短路的試驗(yàn)方法之一。因此，研究不同條件下，不同因素對(duì)電池針刺熱失控行為的重要性程度，對(duì)于改善電池安全性能、揭示電池?zé)崾Э貦C(jī)理具有重要意義。
針對(duì)單體電池針刺熱失控，Zhao 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，容量越高電池越容易發(fā)生熱失控，當(dāng)針刺直徑一定時(shí)電池內(nèi)阻降低，熱失控程度加劇，針刺直徑越大熱失控的溫度分布越均勻。Mao 等[4]對(duì)18650 電池進(jìn)行的針刺試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SOC 越高熱失控程度越嚴(yán)重，電池針刺深度與表面溫度不成正比，針刺速度越快電池表面溫度分布越不均勻。Ye等[5]通過(guò)構(gòu)建三維電池模型，研究不同穿透位置對(duì)電池?zé)崾Э赜绊?，結(jié)果表明，針刺位置影響電池的溫度分布。Jia等[6]研究了18650電池包的熱擴(kuò)散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電池單體之間擺放角度為90°時(shí)，熱擴(kuò)散以圓形模式進(jìn)行，當(dāng)擺放角度為60°時(shí)，熱擴(kuò)散以多邊形模式進(jìn)行；同時(shí)傳熱系數(shù)越大內(nèi)短路產(chǎn)生的熱量不再集中于電池表面，模組熱擴(kuò)散的時(shí)間越長(zhǎng)。Jin等[7]提出一種基于CTC框架的電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將一節(jié)電池同時(shí)與多節(jié)電池接觸，可以增強(qiáng)熱失控電池的散熱，又不至于導(dǎo)致電池模組發(fā)生熱擴(kuò)散。Wang 等[8]對(duì)由過(guò)充引起NCM 電池組熱擴(kuò)散行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熱擴(kuò)散傳播速度隨著傳播過(guò)程逐漸增加。提高電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度會(huì)抑制電池模組熱擴(kuò)散傳播速度，但可能會(huì)導(dǎo)致電池?zé)崾Э刈罡邷囟壬摺ang 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池老化程度對(duì)熱擴(kuò)散傳播影響不大；與電池正負(fù)極放置在相同方向上相比，電池正極放置在相同方向上更容易導(dǎo)致熱擴(kuò)散。
由上可知，對(duì)于鋰離子電池針刺熱失控的研究，其影響因素不僅與電池本身有關(guān)，還和針刺不同工況有極大關(guān)系。當(dāng)前的研究主要集中于單一因素對(duì)熱失控的影響，而不同因素對(duì)于電池?zé)崾Э氐难芯縿t需要合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真的方式研究電池?zé)崾Э?，不僅能夠降低實(shí)驗(yàn)成本，而且能夠?yàn)殡姵卦O(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。正交試驗(yàn)中，影響結(jié)果的試驗(yàn)條件被稱為因素，因素水平表示因素的取值大小，正交試驗(yàn)具有試驗(yàn)次數(shù)少、可考慮不同因素交互作用等優(yōu)點(diǎn)。因正交表中任一列各水平出現(xiàn)次數(shù)相同，任兩列都包含了不同因素全部水平的所有組合，所以能全面反映不同因素和因素水平對(duì)指標(biāo)的影響，主要用于電池材料[10-11]及BMS 的參數(shù)優(yōu)化。Pan 等[12]設(shè)計(jì)了具有并聯(lián)多通道冷液板的三維電池?zé)崮Ｐ?，利用正交試?yàn)對(duì)冷卻板厚度、冷卻管厚度、通道數(shù)和冷卻劑流量進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，可顯著提高液冷電池模塊的溫度均勻性。Wang等[13]通過(guò)COMSOL對(duì)電池組熱行為進(jìn)行仿真并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析不同冷卻結(jié)構(gòu)、通道數(shù)量、入口冷卻劑流量對(duì)電池組溫度的影響效果，結(jié)果表明不同冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)電池組最高溫度有顯著的影響效果。宋亞娟等[14]對(duì)不同電池的SOC(state of charge)、溫度、充放電電流等設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得到充電過(guò)程溫度對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊憽?/p>
綜上所述，當(dāng)前正交試驗(yàn)研究主要集中于電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，針對(duì)不同因素誘發(fā)電池?zé)崾Э氐恼辉囼?yàn)方法研究較少，而因素的類型和水平對(duì)熱失控嚴(yán)重程度具有重要影響。電池模組熱擴(kuò)散情況受到多種因素影響，通過(guò)正交試驗(yàn)，可將不同因素對(duì)熱失控重要性程度進(jìn)行主次排序。對(duì)此，論文通過(guò)COMSOL仿真得到不同針刺位置、針刺直徑、針刺速和SOC對(duì)電池單體熱失控的影響，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)4塊三元鋰離子模組為研究對(duì)象，分別設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，確定對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響效果最顯著的因素及因素間交互影響，為優(yōu)化電池安全管理和電池安全性試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論支持。
1 鋰離子電池單體針刺熱失控
單體電池針刺熱失控仿真模型如圖1所示。實(shí)際電池內(nèi)部由多層電極單元堆疊而成，為提高計(jì)算效率將電芯材料等效為均勻混合物，模型幾何按照電池外部尺寸建模如圖1(a)所示。當(dāng)鋼針刺入鋰離子電池內(nèi)部時(shí)，電池正負(fù)極材料通過(guò)鋼針互相接觸，導(dǎo)致電極單元出現(xiàn)短路，如圖1(b)所示。電池在短時(shí)間內(nèi)釋放大量電能引起電池內(nèi)溫度升高，誘發(fā)連鎖副反應(yīng)，最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍１竟ぷ餮芯繉?duì)象為NCM/石墨三元軟包疊片電池，軟包三元鋰離子電池厚度一般在15～20 mm，鋼針會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)穿透，因此，這里主要關(guān)注鋼針刺穿電池后的情況，電池相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 (a) 電池幾何模型；(b) 電池針刺短路原理Fig.1 (a) Battery geometric model; (b) Short-circuit of battery
表1 NCM/石墨鋰離子電池參數(shù)Table 1 Parameters of batteries
1.1 三元鋰離子電池針刺模型
基于CMOSOL建立三元鋰離子電池針刺模型，通過(guò)鋰離子電池接口建立一維電化學(xué)模型描述單個(gè)電池的電化學(xué)特性，并利用偏微分方程建立熱失控副反應(yīng)模型。三維熱模型的輸入為一維電化學(xué)模型及熱失控副反應(yīng)模型所產(chǎn)生的熱量，同時(shí)，將三維熱模型計(jì)算得到的電芯溫度反饋給電化學(xué)模型和副反應(yīng)模型，作為電池的電化學(xué)反應(yīng)和熱失控副反應(yīng)的反應(yīng)條件。電池電化學(xué)反應(yīng)參數(shù)和熱失控模型反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)[15]中數(shù)據(jù)。電池和鋼針熱物性參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 電池和鋼針熱物特性參數(shù)Table 2 Thermal properties of battery and penetration
1.2 不同工況下單體電池針刺熱失控
在實(shí)際應(yīng)用中，電池可能會(huì)在不同工況下受不同外力作用被穿透導(dǎo)致發(fā)生內(nèi)短路。對(duì)此，通過(guò)仿真研究不同針刺位置、SOC、針刺速度V、針刺直徑R下電池內(nèi)短路。電池單體仿真試驗(yàn)中若不做特別說(shuō)明，針刺直徑R為3 mm，針刺速度V為20 mm/s，針刺位置為電池中心位為C，Tmax和tmax分別為電池?zé)崾Э貢r(shí)達(dá)到的最高溫度和達(dá)到最高溫度所需時(shí)間。
1.2.1 不同針刺位置對(duì)電池單體熱失控的影響
以R為3 mm，V為20 mm/s 的鋼針?lè)謩e穿透如圖2(a)所示位置，針刺位置分布于電池中心及4個(gè)角，電池?zé)崾Э販囟扰c時(shí)間曲線如圖2(b)所示。由圖2(b)可知，當(dāng)針刺位置A時(shí)，Tmax最高為533 ℃，針刺C位置時(shí)Tmax最低為524 ℃。根據(jù)圖2，電池表面的溫度分布受針刺位置影響較大，針刺中心位置時(shí)電池表面溫度分布最均勻，熱失控發(fā)生得最慢；受電池幾何形狀的限制，相較于中心位置，針刺其他位置時(shí)熱量不易向四周擴(kuò)散，熱量更容易累積。因此，在電池發(fā)生熱失控初期時(shí)，為避免加劇熱失控嚴(yán)重程度，應(yīng)當(dāng)采取措施防止熱量聚集在某一個(gè)區(qū)域。針刺不同位置對(duì)Tmax和tmax影響不大，與參考文獻(xiàn)[16]結(jié)論一致，但本工作仿真結(jié)果表明，電池表面溫度分布受針刺位置影響較大。
圖2 (a) 針刺位置示意圖；(b) 針刺不同位置電池溫度；(c) 針刺中間位置t=2 s時(shí)電池?zé)嵬苛飨颍?d) 針刺右上位置t=2 s時(shí)電池?zé)嵬苛飨騀ig.2 (a) Penetration position; (b) Temperature at different positions; (c) Heat flux direction of the cell at 2 s when penetrated at C; (d) Penetrate the A position and the heat flux direction of the battery at 2 s
1.2.2 針刺速度對(duì)單體電池?zé)崾Э氐挠绊?/p>
圖3顯示了不同針刺速度V對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊?。由圖可知，V的大小與電池Tmax成正比，與tmax成反比，V高于20 mm/s和低于10 mm/s后，速度的改變對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐挠绊戄^小。結(jié)合仿真結(jié)果和文獻(xiàn)[16-17]結(jié)論可以得出，在一定范圍內(nèi)的V的改變，對(duì)同一款電池的熱失控反應(yīng)影響不大。這是因?yàn)殡姵貑误w厚度通常在15～20 mm，所以，針刺都會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)擊穿電池產(chǎn)生內(nèi)短路。
圖3 不同針刺速度下電池?zé)崾Э販囟菷ig.3 Thermal runaway temperature of the battery at different penetrated velocity
然而，軟包電池內(nèi)部是由多層電芯疊加起來(lái)，當(dāng)V較低時(shí)，隔膜能更好地包裹住鋼針，因此，與高速針刺過(guò)程相比，低速針刺觸發(fā)熱失控的時(shí)間較長(zhǎng)。V越低，在相同時(shí)間內(nèi)，鋼針進(jìn)入電池內(nèi)部的體積越小，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)歐姆熱，從而導(dǎo)致針刺初期，電池溫升速率有所差異；但隨著歐姆熱的累積，電池內(nèi)溫度不斷上升，從而觸發(fā)副反應(yīng)。對(duì)于同一款電池，相同SOC 下，發(fā)生連鎖副反應(yīng)后所釋放的熱量大致相同，因此，V對(duì)Tmax影響較小。
1.2.3 針刺直徑對(duì)單體電池?zé)崾Э氐挠绊?/p>
由圖4，針刺直徑R對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊戄^為顯著，R越大，tmax越大，Tmax越小。圖4中當(dāng)R取6 mm時(shí)，電池針刺熱失控溫度先快速上升到210 ℃左右，隨后溫度上升明顯放緩，直至達(dá)到最高溫度402 ℃。
圖4 不同針刺直徑下電池?zé)崾Э販囟菷ig.4 Thermal runaway temperature of battery under different penetration diameters
由圖5(a)得知，相較于R小于3 mm時(shí)的情況，R大于6 mm后，R的改變對(duì)Tmax的影響更大。當(dāng)R為7 mm時(shí)，電池未發(fā)生熱失控，此時(shí)Tmax為181 ℃。從圖5(b)可知，R大于4 mm后，tmax明顯延遲，這是因?yàn)樵卺槾屉姵匕l(fā)生熱失控后，熱量通過(guò)鋼針從電池內(nèi)部傳輸?shù)酵饨?，鋼針的直徑越大與外界接觸的面積越大，通過(guò)鋼針傳輸?shù)酵獠康臒崃吭蕉?。此外，R越大，電池短路面積越大，電池溫度分布越均勻，電池短路位置聚集的熱量越小，電池內(nèi)部溫度不足以達(dá)到發(fā)生連鎖的副反應(yīng)，電池內(nèi)的活性物質(zhì)僅有少部分參與了反應(yīng)，因此，電池未發(fā)生熱失控。
圖5 不同直徑下電池?zé)崾Э剡_(dá)到的最高溫度和需要的時(shí)間Fig.5 Maximum temperature and time required for thermal runaway of batteries with different diameters
1.2.4 SOC對(duì)單體電池?zé)崾Э氐挠绊?/p>
圖6為不同SOC條件下電池三維溫度分布，其中等溫線表示仿真時(shí)間t為6 s時(shí)，電池的溫度分布情況。與圖6(b)相比，圖6(a)中電池的等溫線分布更廣且溫差更小，說(shuō)明SOC越高，熱失控時(shí)電池?zé)崃繑U(kuò)散得越慢且分布越不均，導(dǎo)致電池局部過(guò)熱加劇熱失控的嚴(yán)重程度。
圖6 (a) t=6 s,SOC=20%時(shí)三維溫度分布；(b) t=6 s,SOC=100%時(shí)三維溫度分布Fig.6 (a) 3D temperature distribution at t=6 s(SOC=20%); (b) 3D temperature distribution at t=6 s(SOC=100%)
圖7 為不同SOC 下發(fā)生熱失控時(shí)電池的溫度隨時(shí)間變化曲線，隨著SOC的增加，Tmax越大，當(dāng)SOC低于90%時(shí)，Tmax變化受SOC影響更大。這是因?yàn)镾OC越小，電池儲(chǔ)存的電能越少，短路時(shí)釋放的焦耳熱越少，同時(shí)SOC越小，參與反應(yīng)的活性物質(zhì)越少，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也更少。當(dāng)SOC為100%時(shí)Tmax為524 ℃，而SOC為20%時(shí)電池并未發(fā)生熱失控，最高溫度為215 ℃；這一現(xiàn)象說(shuō)明存在導(dǎo)致電池?zé)崾Э匕l(fā)生的臨界SOC。
圖7 不同SOC下電池?zé)崾Э販囟茸兓疐ig.7 Thermal runaway temperature of batteries at different SOC
2 模組針刺熱擴(kuò)散仿真
根據(jù)單體電池?zé)崾Э亟Y(jié)果，無(wú)論針刺速度及針刺位置如何，當(dāng)電池SOC為100%且針刺直徑R為2 mm 時(shí)，針刺電池都會(huì)發(fā)生熱失控，且不同針刺速度V和針刺位置對(duì)電池單體熱失控影響較小。但針刺直徑R和電池SOC 對(duì)電池單體熱失控的影響較大，特別是當(dāng)針刺直徑R大于4 mm后，電池?zé)崾Э貒?yán)重程度明顯減小，而SOC小于90%后，Tmax變化受SOC影響更大。因此，需要考慮不同SOC及針刺直徑R對(duì)電池模組針刺熱擴(kuò)散的影響。同時(shí)，針刺電池個(gè)數(shù)N直接影響模組內(nèi)熱擴(kuò)散時(shí)的熱源大小，N越大，熱源越大。因此，實(shí)驗(yàn)還引入了N這一因素。通過(guò)單因素試驗(yàn)，研究SOC、R、N對(duì)電池模組針刺熱擴(kuò)散行為的影響。
考慮到計(jì)算速度，將4塊相同的三元鋰離子電池依次排列成一個(gè)電池模組作為研究對(duì)象，各電池之間無(wú)電連接，并分別編號(hào)為#1～#4，鋼針首先刺穿#1號(hào)電池并發(fā)生熱擴(kuò)散，誘發(fā)相鄰電池發(fā)生熱失控。
實(shí)驗(yàn)中，模組電池SOC 均為100%，用R為2 mm、V為20 mm/s 刺穿#1 號(hào)電池的C位置。若無(wú)特別說(shuō)明，以下模組試驗(yàn)均采用上述條件。模組內(nèi)電熱擴(kuò)散情況如圖8 所示，根據(jù)圖8 得到的溫度三維分布，由圖8(b)、(c)得知，與橫向熱擴(kuò)散速度相比，電池模組在縱向上的熱擴(kuò)散較快。根據(jù)圖8(a)，針刺部分發(fā)生了內(nèi)短路在短時(shí)間內(nèi)聚積了大量熱量，因此，該部分的溫度明顯高于其他區(qū)域，且熱擴(kuò)散速度最快。所以，從縱向上觀察到，熱量在針刺位置呈半橢圓形狀向四周擴(kuò)散。
圖8 t=4 s時(shí)模組熱擴(kuò)散三維溫度分布Fig.8 3D temperature distribution of thermal diffusion for battery module at 4 s
圖9為針刺模組電池?zé)崾Э胤抡娴玫降碾姵販囟取膱D9可知，模組內(nèi)的所有電池都發(fā)生了熱失控，且電池單體的溫度變化趨勢(shì)基本相同，依次迅速上升到最高溫度、快速下降再小幅度上升。在電池模組熱擴(kuò)散過(guò)程中，#1號(hào)電池發(fā)生熱失控后，溫度上升到最高點(diǎn)，由于熱擴(kuò)散，溫度降低，與其相鄰的#2 號(hào)電池的前壁面先吸收熱量，電池溫度先升高到200 ℃左右后，電池溫度上升變緩，持續(xù)一段時(shí)間后電池進(jìn)入熱失控。此時(shí)，#1號(hào)電池也會(huì)吸收#2 號(hào)電池產(chǎn)生的熱量，進(jìn)一步導(dǎo)致#1 號(hào)電池溫度再度上升。#3和#4號(hào)電池也依次重復(fù)上述的類似過(guò)程。此外，根據(jù)圖9得知，#4號(hào)電池的溫度略微高于#2 和#3，這是因?yàn)楫?dāng)#1～#3 電池都發(fā)生熱失控時(shí)，模組內(nèi)的熱量大部分集中在電池#1～#3，#1～#3電池與#4電池之間溫度梯度更大，更利于熱量的傳播和吸收。值得注意的是，由于模組內(nèi)的熱擴(kuò)散加劇了熱失控的發(fā)生，相同情況下，針刺單個(gè)電池時(shí)的Tmax為542 ℃；而針刺模組#1電池的Tmax為935 ℃，且溫升速率也顯著提高。
圖9 電池模組內(nèi)#1～#4電池溫度Fig.9 Battery temperature #1～#4 inside the battery module
2.1 模組針刺熱擴(kuò)散單因素試驗(yàn)仿真
2.1.1 針刺直徑對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響
分別對(duì)R為2 mm、3 mm、4 mm、6 mm時(shí)電池模組熱擴(kuò)散進(jìn)行研究，如圖10所示。由圖可知，R越大，#1電池的Tmax越小，R的改變對(duì)#2～#4電池的Tmax影響不大，即只要#1電池發(fā)生熱失控，相鄰電池都會(huì)依次發(fā)生熱失控。R從2 mm增加到6 mm時(shí)，模組內(nèi)#4 電池的tmax延后了5 s；相較于R為2～4 mm 的情況，R大于4 mm 后，模組內(nèi)#1～#4 號(hào)電池的tmax明顯變長(zhǎng)，電池單體之間熱擴(kuò)散變難。此外，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R為7 mm 時(shí)電池模組并未發(fā)生熱失控，這與電池單體試驗(yàn)結(jié)論一致。
圖10 (a) 不同直徑對(duì)電池?zé)崾Э刈罡邷囟扔绊懀?b) 不同直徑對(duì)電池?zé)崾Э氐竭_(dá)最高溫度所需時(shí)間Fig.10 (a) Influence of different diameters on the maximum thermal runaway temperature of batteries;(b) Time required for different diameters to reach the maximum thermal runaway temperature of batteries
2.1.2 SOC對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響
圖11 為電池SOC 對(duì)模組電池針刺熱失控溫度的影響。由圖可知，SOC對(duì)電池模組的熱擴(kuò)散行為影響較為顯著。隨著SOC 的增加，電池模組發(fā)生熱失控的時(shí)間有所提前，各電池單體所達(dá)到的Tmax變大。與電池單體不同的是，當(dāng)SOC在85%～100%變化時(shí)，模組內(nèi)各電池單體的Tmax變化更明顯，而當(dāng)SOC在20%～90%變化時(shí)，電池單體的Tmax變化更明顯?？偟膩?lái)看，SOC的改變對(duì)#1電池發(fā)生熱失控的時(shí)間影響不大，但對(duì)#2～#4電池有較大影響。因?yàn)?1號(hào)電池是通過(guò)針刺引發(fā)熱失控，由上文的電池單體試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SOC在60%～100%時(shí)針刺電池單體會(huì)立刻引起熱失控；#2～#4電池則是通過(guò)熱擴(kuò)散引發(fā)的熱失控，電池SOC越低，其安全性能越高，在模組熱擴(kuò)散過(guò)程中發(fā)生熱失控風(fēng)險(xiǎn)更低。
圖11 (a) 不同SOC對(duì)電池?zé)崾Э刈罡邷囟扔绊懀?b) 不同SOC電池?zé)崾Э氐竭_(dá)最高溫度所需時(shí)間Fig.11 (a) Influence of different SOC on the maximum thermal runaway temperature of batteries;(b) Time required for different SOC to reach the maximum thermal runaway temperature of batteries
2.1.3 針刺深度對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響
為探究針刺深度對(duì)電池模組熱擴(kuò)散行為的研究，分別模擬針刺電池個(gè)數(shù)N為1、2 時(shí)電池模組熱擴(kuò)散的情況，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，針刺越深，電池模組熱擴(kuò)散越快，N為2 時(shí)，整個(gè)模組發(fā)生熱失控的時(shí)間比N為1 時(shí)提前15 s。與N取1 相比，N為2時(shí)會(huì)額外產(chǎn)生一部分歐姆熱，這也加劇了熱擴(kuò)散的速度，但#3 和#4 電池的Tmax有所降低，說(shuō)明過(guò)高的溫度雖然會(huì)加速模組之間的熱量熱擴(kuò)散，但會(huì)抑制電池之間的熱量吸收。同時(shí)，當(dāng)N取2 時(shí)，#1號(hào)電池的溫度先達(dá)到第1個(gè)溫度峰值；隨后因受#2 號(hào)電池的影響，#1 號(hào)電池的溫度在極短時(shí)間內(nèi)再次上升，加劇了電池?zé)崾Э氐膰?yán)重性。
表3 不同針刺電池?cái)?shù)量下模組電池單體熱失控最高溫度及所需時(shí)間Table 3 Maximum temperature and time required for each cell in module under different battery numbers
2.2 模組針刺熱擴(kuò)散正交試驗(yàn)
在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，所選定的因素在當(dāng)前的狀態(tài)及條件發(fā)生的變化，可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)也發(fā)生變化，因此，各個(gè)因素變化的狀態(tài)及條件稱為水平。某一個(gè)因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可能隨著其他因素不同水平而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為因素間的交互作用。為分析不同因素及其交互作用對(duì)熱擴(kuò)散的影響，在通過(guò)單因素試驗(yàn)，得到不同因素對(duì)模組電池針刺熱擴(kuò)散影響趨勢(shì)后，利用正交設(shè)計(jì)表，對(duì)R、N、SOC進(jìn)行正交試驗(yàn)，因要考慮三因素間交互作用，因此，實(shí)際共有9個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平。根據(jù)正交表選取原則，當(dāng)因素水平相同時(shí)，需選取行數(shù)大于9的正交表，所以選取L27(313)正交表，L表示正交試驗(yàn)、27為需進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)即正交表行數(shù)、3為水平數(shù)、13為因素個(gè)數(shù)即正交表列數(shù)。正交試驗(yàn)中各因素水平的選取見(jiàn)表4，其中1～3表示不同因素水平。
表4 正交試驗(yàn)因素與水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test
結(jié)果分析如表5所示，A、B、C分別代表模組中每個(gè)電池單體的SOC、R、N，*表示各因素的交互作用，以模組中電池單體的平均溫度Tem 和#4 電池達(dá)到熱失控最高溫度的時(shí)間Time作為試驗(yàn)指標(biāo)，kni表示各因素在不同水平下不同指標(biāo)總和的均值，公式如式(1)。Ri代表不同指標(biāo)下各因素的極差，其值等于最大與最小的各因素不同水平下的試驗(yàn)指標(biāo)總和均值的差值，公式如式(2)。
表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of Orthogonal test
其中，n為Tem或Time；i為因素水平，取1～3；Knij表示正交表第j列上因素取i水平時(shí)，所對(duì)應(yīng)的n指標(biāo)之和；s為正交表第j列上因素i水平出現(xiàn)次數(shù)；Rn反映了不同因素水平對(duì)于模組電池?zé)崾Э販囟燃皵U(kuò)散時(shí)間的影響程度，Rn越大該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著。
針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本工作采用極差分析做進(jìn)一步研究。極差分析是在考慮某個(gè)單因素時(shí)，設(shè)定其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是均衡的，從而得到該因素各個(gè)水平差異是通過(guò)該因素本身造成。由此，通過(guò)比較Rn的大小，從表5中得到各因素對(duì)溫度和熱擴(kuò)散時(shí)間的影響程度主次順序依次為：N>R>SOC*R>SOC*N>N*R>SOC。即針刺電池?cái)?shù)量N的改變對(duì)電池模組熱擴(kuò)散行為的影響最顯著，N越大，模組內(nèi)熱失控越嚴(yán)重，N為2時(shí)，模組內(nèi)電池單體的平均溫度明顯高于N為1時(shí)模組內(nèi)電池單體平均溫度，N越大，電池模組在短時(shí)間內(nèi)聚集的焦耳熱越多，導(dǎo)致模組內(nèi)熱失控反應(yīng)更劇烈。模組電池?zé)釘U(kuò)散受針刺直徑R影響也十分顯著，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)針刺電池發(fā)生熱失控時(shí)，鋼針同時(shí)帶走一部分熱量，針刺直徑R越小，鋼針帶走的熱量越少，電池表面溫度分布越不均勻，熱失控越劇烈，同時(shí)加劇了模組電池的熱擴(kuò)散。
此外，雖然SOC對(duì)電池模組熱擴(kuò)散的影響最小，但SOC*R、SOC*N依次排在結(jié)果的第3、4位，即：相對(duì)于SOC 對(duì)模組電池?zé)釘U(kuò)散的影響，SOC 與針刺直徑及針刺電池?cái)?shù)目的耦合作用對(duì)模組電池的熱擴(kuò)散影響更大。通過(guò)極差分析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到，不同因素之間的耦合作用不能忽略。因此，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究電池模組熱擴(kuò)散行為時(shí)，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需考慮SOC、R、N的耦合影響。參考文獻(xiàn)[18]表明，影響模組電池?zé)釘U(kuò)散的主要因素是電池本身的熱失控特性，其次是電池的散熱條件及電池間的傳熱條件。Wang 等[19]通過(guò)研究不同鎳比的NCM電池發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池比能量、自熱溫度、熱失控觸發(fā)溫度、熱失控最高溫度相似時(shí)，無(wú)論電池具有何種電化學(xué)特性，電池模組熱失控?cái)U(kuò)散行為都相似。因此，該論文研究方法及結(jié)論也適用于與本工作研究電池相同材料、相同排列方式的大容量電池模組。
3 總結(jié)
以軟包鋰離子電池和電池模組為研究對(duì)象，分析多因素對(duì)電池單體和電池模組針刺熱失控的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)得出不同因素對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響程度的主次順序，為提高電池的安全性及電池設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。主要結(jié)論如下：
（1）針刺速度越大，電池單體熱失控時(shí)間越提前，且溫度越高；針刺位置直接影響電池表面溫度的分布，且鋼針直徑對(duì)于電池散熱有很大影響。
（2）SOC越大，電池?zé)崾Э匕l(fā)生得越劇烈，且存在某臨界SOC 導(dǎo)致電池?zé)崾Э?；SOC 越高，電池表面溫度分布越不均勻。對(duì)于單體電池?zé)崾Э?，?dāng)SOC在20%～90%內(nèi)變化時(shí)，電池?zé)崾Э刈罡邷囟茸兓黠@；對(duì)于模組電池?zé)崾Э?，SOC在85%～100%內(nèi)變化時(shí)，熱失控最高溫度變化更明顯。
（3）電池模組內(nèi)熱擴(kuò)散會(huì)加劇熱失控，且熱量在模組縱向上的擴(kuò)散明顯快于橫向上?？v向上看，針刺開(kāi)始時(shí)，熱量在針刺位置以半橢圓的形式快速向四周擴(kuò)散；電池模組針刺的電池單體個(gè)數(shù)越多，模組內(nèi)熱擴(kuò)散速度越快，熱失控越劇烈。但試驗(yàn)同時(shí)表明，當(dāng)電池溫度過(guò)高時(shí)，雖然在一定程度上加快了熱擴(kuò)散，但也會(huì)抑制相鄰電池的熱量吸收。
（4）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)電池模組熱失控平均溫度及熱擴(kuò)散時(shí)間的影響程度主次順序?yàn)椋篘>R>SOC*R>SOC*N>N*R>SOC。對(duì)于針刺熱失控，相對(duì)于SOC 對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊?，SOC與針刺直徑及針刺電池?cái)?shù)目間的耦合作用更大。因此，電池?zé)崾Э氐牟煌蛩氐鸟詈献饔貌蝗莺鲆暋?/p>
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胡力月，姚行艷
（重慶工商大學(xué)人工智能學(xué)院，重慶 400067）
鋰離子電池作為新能源汽車的核心部件，其安全性能得到大家廣泛關(guān)注，尤其是最近頻發(fā)的因鋰離子電池?zé)崾Э囟鴮?dǎo)致的安全問(wèn)題，成為最近幾年研究的焦點(diǎn)。熱濫用、機(jī)械濫用和電濫用是導(dǎo)致電池?zé)崾Э匕l(fā)生的主要誘因[1-2]，其本質(zhì)是各種濫用情況下引起電池隔膜崩塌，導(dǎo)致電池陰陽(yáng)兩極直接接觸，產(chǎn)生內(nèi)短路。針刺試驗(yàn)是常見(jiàn)的模擬電池內(nèi)短路的試驗(yàn)方法之一。因此，研究不同條件下，不同因素對(duì)電池針刺熱失控行為的重要性程度，對(duì)于改善電池安全性能、揭示電池?zé)崾Э貦C(jī)理具有重要意義。
針對(duì)單體電池針刺熱失控，Zhao 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，容量越高電池越容易發(fā)生熱失控，當(dāng)針刺直徑一定時(shí)電池內(nèi)阻降低，熱失控程度加劇，針刺直徑越大熱失控的溫度分布越均勻。Mao 等[4]對(duì)18650 電池進(jìn)行的針刺試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SOC 越高熱失控程度越嚴(yán)重，電池針刺深度與表面溫度不成正比，針刺速度越快電池表面溫度分布越不均勻。Ye等[5]通過(guò)構(gòu)建三維電池模型，研究不同穿透位置對(duì)電池?zé)崾Э赜绊?，結(jié)果表明，針刺位置影響電池的溫度分布。Jia等[6]研究了18650電池包的熱擴(kuò)散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電池單體之間擺放角度為90°時(shí)，熱擴(kuò)散以圓形模式進(jìn)行，當(dāng)擺放角度為60°時(shí)，熱擴(kuò)散以多邊形模式進(jìn)行；同時(shí)傳熱系數(shù)越大內(nèi)短路產(chǎn)生的熱量不再集中于電池表面，模組熱擴(kuò)散的時(shí)間越長(zhǎng)。Jin等[7]提出一種基于CTC框架的電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將一節(jié)電池同時(shí)與多節(jié)電池接觸，可以增強(qiáng)熱失控電池的散熱，又不至于導(dǎo)致電池模組發(fā)生熱擴(kuò)散。Wang 等[8]對(duì)由過(guò)充引起NCM 電池組熱擴(kuò)散行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熱擴(kuò)散傳播速度隨著傳播過(guò)程逐漸增加。提高電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度會(huì)抑制電池模組熱擴(kuò)散傳播速度，但可能會(huì)導(dǎo)致電池?zé)崾Э刈罡邷囟壬摺ang 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池老化程度對(duì)熱擴(kuò)散傳播影響不大；與電池正負(fù)極放置在相同方向上相比，電池正極放置在相同方向上更容易導(dǎo)致熱擴(kuò)散。
由上可知，對(duì)于鋰離子電池針刺熱失控的研究，其影響因素不僅與電池本身有關(guān)，還和針刺不同工況有極大關(guān)系。當(dāng)前的研究主要集中于單一因素對(duì)熱失控的影響，而不同因素對(duì)于電池?zé)崾Э氐难芯縿t需要合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真的方式研究電池?zé)崾Э?，不僅能夠降低實(shí)驗(yàn)成本，而且能夠?yàn)殡姵卦O(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。正交試驗(yàn)中，影響結(jié)果的試驗(yàn)條件被稱為因素，因素水平表示因素的取值大小，正交試驗(yàn)具有試驗(yàn)次數(shù)少、可考慮不同因素交互作用等優(yōu)點(diǎn)。因正交表中任一列各水平出現(xiàn)次數(shù)相同，任兩列都包含了不同因素全部水平的所有組合，所以能全面反映不同因素和因素水平對(duì)指標(biāo)的影響，主要用于電池材料[10-11]及BMS 的參數(shù)優(yōu)化。Pan 等[12]設(shè)計(jì)了具有并聯(lián)多通道冷液板的三維電池?zé)崮Ｐ?，利用正交試?yàn)對(duì)冷卻板厚度、冷卻管厚度、通道數(shù)和冷卻劑流量進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，可顯著提高液冷電池模塊的溫度均勻性。Wang等[13]通過(guò)COMSOL對(duì)電池組熱行為進(jìn)行仿真并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析不同冷卻結(jié)構(gòu)、通道數(shù)量、入口冷卻劑流量對(duì)電池組溫度的影響效果，結(jié)果表明不同冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)電池組最高溫度有顯著的影響效果。宋亞娟等[14]對(duì)不同電池的SOC(state of charge)、溫度、充放電電流等設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得到充電過(guò)程溫度對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊憽?/p>
綜上所述，當(dāng)前正交試驗(yàn)研究主要集中于電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，針對(duì)不同因素誘發(fā)電池?zé)崾Э氐恼辉囼?yàn)方法研究較少，而因素的類型和水平對(duì)熱失控嚴(yán)重程度具有重要影響。電池模組熱擴(kuò)散情況受到多種因素影響，通過(guò)正交試驗(yàn)，可將不同因素對(duì)熱失控重要性程度進(jìn)行主次排序。對(duì)此，論文通過(guò)COMSOL仿真得到不同針刺位置、針刺直徑、針刺速和SOC對(duì)電池單體熱失控的影響，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)4塊三元鋰離子模組為研究對(duì)象，分別設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，確定對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響效果最顯著的因素及因素間交互影響，為優(yōu)化電池安全管理和電池安全性試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論支持。
1 鋰離子電池單體針刺熱失控
單體電池針刺熱失控仿真模型如圖1所示。實(shí)際電池內(nèi)部由多層電極單元堆疊而成，為提高計(jì)算效率將電芯材料等效為均勻混合物，模型幾何按照電池外部尺寸建模如圖1(a)所示。當(dāng)鋼針刺入鋰離子電池內(nèi)部時(shí)，電池正負(fù)極材料通過(guò)鋼針互相接觸，導(dǎo)致電極單元出現(xiàn)短路，如圖1(b)所示。電池在短時(shí)間內(nèi)釋放大量電能引起電池內(nèi)溫度升高，誘發(fā)連鎖副反應(yīng)，最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍１竟ぷ餮芯繉?duì)象為NCM/石墨三元軟包疊片電池，軟包三元鋰離子電池厚度一般在15～20 mm，鋼針會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)穿透，因此，這里主要關(guān)注鋼針刺穿電池后的情況，電池相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 (a) 電池幾何模型；(b) 電池針刺短路原理Fig.1 (a) Battery geometric model; (b) Short-circuit of battery
表1 NCM/石墨鋰離子電池參數(shù)Table 1 Parameters of batteries
1.1 三元鋰離子電池針刺模型
基于CMOSOL建立三元鋰離子電池針刺模型，通過(guò)鋰離子電池接口建立一維電化學(xué)模型描述單個(gè)電池的電化學(xué)特性，并利用偏微分方程建立熱失控副反應(yīng)模型。三維熱模型的輸入為一維電化學(xué)模型及熱失控副反應(yīng)模型所產(chǎn)生的熱量，同時(shí)，將三維熱模型計(jì)算得到的電芯溫度反饋給電化學(xué)模型和副反應(yīng)模型，作為電池的電化學(xué)反應(yīng)和熱失控副反應(yīng)的反應(yīng)條件。電池電化學(xué)反應(yīng)參數(shù)和熱失控模型反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)[15]中數(shù)據(jù)。電池和鋼針熱物性參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 電池和鋼針熱物特性參數(shù)Table 2 Thermal properties of battery and penetration
1.2 不同工況下單體電池針刺熱失控
在實(shí)際應(yīng)用中，電池可能會(huì)在不同工況下受不同外力作用被穿透導(dǎo)致發(fā)生內(nèi)短路。對(duì)此，通過(guò)仿真研究不同針刺位置、SOC、針刺速度V、針刺直徑R下電池內(nèi)短路。電池單體仿真試驗(yàn)中若不做特別說(shuō)明，針刺直徑R為3 mm，針刺速度V為20 mm/s，針刺位置為電池中心位為C，Tmax和tmax分別為電池?zé)崾Э貢r(shí)達(dá)到的最高溫度和達(dá)到最高溫度所需時(shí)間。
1.2.1 不同針刺位置對(duì)電池單體熱失控的影響
以R為3 mm，V為20 mm/s 的鋼針?lè)謩e穿透如圖2(a)所示位置，針刺位置分布于電池中心及4個(gè)角，電池?zé)崾Э販囟扰c時(shí)間曲線如圖2(b)所示。由圖2(b)可知，當(dāng)針刺位置A時(shí)，Tmax最高為533 ℃，針刺C位置時(shí)Tmax最低為524 ℃。根據(jù)圖2，電池表面的溫度分布受針刺位置影響較大，針刺中心位置時(shí)電池表面溫度分布最均勻，熱失控發(fā)生得最慢；受電池幾何形狀的限制，相較于中心位置，針刺其他位置時(shí)熱量不易向四周擴(kuò)散，熱量更容易累積。因此，在電池發(fā)生熱失控初期時(shí)，為避免加劇熱失控嚴(yán)重程度，應(yīng)當(dāng)采取措施防止熱量聚集在某一個(gè)區(qū)域。針刺不同位置對(duì)Tmax和tmax影響不大，與參考文獻(xiàn)[16]結(jié)論一致，但本工作仿真結(jié)果表明，電池表面溫度分布受針刺位置影響較大。
圖2 (a) 針刺位置示意圖；(b) 針刺不同位置電池溫度；(c) 針刺中間位置t=2 s時(shí)電池?zé)嵬苛飨颍?d) 針刺右上位置t=2 s時(shí)電池?zé)嵬苛飨騀ig.2 (a) Penetration position; (b) Temperature at different positions; (c) Heat flux direction of the cell at 2 s when penetrated at C; (d) Penetrate the A position and the heat flux direction of the battery at 2 s
1.2.2 針刺速度對(duì)單體電池?zé)崾Э氐挠绊?/p>
圖3顯示了不同針刺速度V對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊?。由圖可知，V的大小與電池Tmax成正比，與tmax成反比，V高于20 mm/s和低于10 mm/s后，速度的改變對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐挠绊戄^小。結(jié)合仿真結(jié)果和文獻(xiàn)[16-17]結(jié)論可以得出，在一定范圍內(nèi)的V的改變，對(duì)同一款電池的熱失控反應(yīng)影響不大。這是因?yàn)殡姵貑误w厚度通常在15～20 mm，所以，針刺都會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)擊穿電池產(chǎn)生內(nèi)短路。
圖3 不同針刺速度下電池?zé)崾Э販囟菷ig.3 Thermal runaway temperature of the battery at different penetrated velocity
然而，軟包電池內(nèi)部是由多層電芯疊加起來(lái)，當(dāng)V較低時(shí)，隔膜能更好地包裹住鋼針，因此，與高速針刺過(guò)程相比，低速針刺觸發(fā)熱失控的時(shí)間較長(zhǎng)。V越低，在相同時(shí)間內(nèi)，鋼針進(jìn)入電池內(nèi)部的體積越小，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)歐姆熱，從而導(dǎo)致針刺初期，電池溫升速率有所差異；但隨著歐姆熱的累積，電池內(nèi)溫度不斷上升，從而觸發(fā)副反應(yīng)。對(duì)于同一款電池，相同SOC 下，發(fā)生連鎖副反應(yīng)后所釋放的熱量大致相同，因此，V對(duì)Tmax影響較小。
1.2.3 針刺直徑對(duì)單體電池?zé)崾Э氐挠绊?/p>
由圖4，針刺直徑R對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊戄^為顯著，R越大，tmax越大，Tmax越小。圖4中當(dāng)R取6 mm時(shí)，電池針刺熱失控溫度先快速上升到210 ℃左右，隨后溫度上升明顯放緩，直至達(dá)到最高溫度402 ℃。
圖4 不同針刺直徑下電池?zé)崾Э販囟菷ig.4 Thermal runaway temperature of battery under different penetration diameters
由圖5(a)得知，相較于R小于3 mm時(shí)的情況，R大于6 mm后，R的改變對(duì)Tmax的影響更大。當(dāng)R為7 mm時(shí)，電池未發(fā)生熱失控，此時(shí)Tmax為181 ℃。從圖5(b)可知，R大于4 mm后，tmax明顯延遲，這是因?yàn)樵卺槾屉姵匕l(fā)生熱失控后，熱量通過(guò)鋼針從電池內(nèi)部傳輸?shù)酵饨?，鋼針的直徑越大與外界接觸的面積越大，通過(guò)鋼針傳輸?shù)酵獠康臒崃吭蕉?。此外，R越大，電池短路面積越大，電池溫度分布越均勻，電池短路位置聚集的熱量越小，電池內(nèi)部溫度不足以達(dá)到發(fā)生連鎖的副反應(yīng)，電池內(nèi)的活性物質(zhì)僅有少部分參與了反應(yīng)，因此，電池未發(fā)生熱失控。
圖5 不同直徑下電池?zé)崾Э剡_(dá)到的最高溫度和需要的時(shí)間Fig.5 Maximum temperature and time required for thermal runaway of batteries with different diameters
1.2.4 SOC對(duì)單體電池?zé)崾Э氐挠绊?/p>
圖6為不同SOC條件下電池三維溫度分布，其中等溫線表示仿真時(shí)間t為6 s時(shí)，電池的溫度分布情況。與圖6(b)相比，圖6(a)中電池的等溫線分布更廣且溫差更小，說(shuō)明SOC越高，熱失控時(shí)電池?zé)崃繑U(kuò)散得越慢且分布越不均，導(dǎo)致電池局部過(guò)熱加劇熱失控的嚴(yán)重程度。
圖6 (a) t=6 s,SOC=20%時(shí)三維溫度分布；(b) t=6 s,SOC=100%時(shí)三維溫度分布Fig.6 (a) 3D temperature distribution at t=6 s(SOC=20%); (b) 3D temperature distribution at t=6 s(SOC=100%)
圖7 為不同SOC 下發(fā)生熱失控時(shí)電池的溫度隨時(shí)間變化曲線，隨著SOC的增加，Tmax越大，當(dāng)SOC低于90%時(shí)，Tmax變化受SOC影響更大。這是因?yàn)镾OC越小，電池儲(chǔ)存的電能越少，短路時(shí)釋放的焦耳熱越少，同時(shí)SOC越小，參與反應(yīng)的活性物質(zhì)越少，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也更少。當(dāng)SOC為100%時(shí)Tmax為524 ℃，而SOC為20%時(shí)電池并未發(fā)生熱失控，最高溫度為215 ℃；這一現(xiàn)象說(shuō)明存在導(dǎo)致電池?zé)崾Э匕l(fā)生的臨界SOC。
圖7 不同SOC下電池?zé)崾Э販囟茸兓疐ig.7 Thermal runaway temperature of batteries at different SOC
2 模組針刺熱擴(kuò)散仿真
根據(jù)單體電池?zé)崾Э亟Y(jié)果，無(wú)論針刺速度及針刺位置如何，當(dāng)電池SOC為100%且針刺直徑R為2 mm 時(shí)，針刺電池都會(huì)發(fā)生熱失控，且不同針刺速度V和針刺位置對(duì)電池單體熱失控影響較小。但針刺直徑R和電池SOC 對(duì)電池單體熱失控的影響較大，特別是當(dāng)針刺直徑R大于4 mm后，電池?zé)崾Э貒?yán)重程度明顯減小，而SOC小于90%后，Tmax變化受SOC影響更大。因此，需要考慮不同SOC及針刺直徑R對(duì)電池模組針刺熱擴(kuò)散的影響。同時(shí)，針刺電池個(gè)數(shù)N直接影響模組內(nèi)熱擴(kuò)散時(shí)的熱源大小，N越大，熱源越大。因此，實(shí)驗(yàn)還引入了N這一因素。通過(guò)單因素試驗(yàn)，研究SOC、R、N對(duì)電池模組針刺熱擴(kuò)散行為的影響。
考慮到計(jì)算速度，將4塊相同的三元鋰離子電池依次排列成一個(gè)電池模組作為研究對(duì)象，各電池之間無(wú)電連接，并分別編號(hào)為#1～#4，鋼針首先刺穿#1號(hào)電池并發(fā)生熱擴(kuò)散，誘發(fā)相鄰電池發(fā)生熱失控。
實(shí)驗(yàn)中，模組電池SOC 均為100%，用R為2 mm、V為20 mm/s 刺穿#1 號(hào)電池的C位置。若無(wú)特別說(shuō)明，以下模組試驗(yàn)均采用上述條件。模組內(nèi)電熱擴(kuò)散情況如圖8 所示，根據(jù)圖8 得到的溫度三維分布，由圖8(b)、(c)得知，與橫向熱擴(kuò)散速度相比，電池模組在縱向上的熱擴(kuò)散較快。根據(jù)圖8(a)，針刺部分發(fā)生了內(nèi)短路在短時(shí)間內(nèi)聚積了大量熱量，因此，該部分的溫度明顯高于其他區(qū)域，且熱擴(kuò)散速度最快。所以，從縱向上觀察到，熱量在針刺位置呈半橢圓形狀向四周擴(kuò)散。
圖8 t=4 s時(shí)模組熱擴(kuò)散三維溫度分布Fig.8 3D temperature distribution of thermal diffusion for battery module at 4 s
圖9為針刺模組電池?zé)崾Э胤抡娴玫降碾姵販囟取膱D9可知，模組內(nèi)的所有電池都發(fā)生了熱失控，且電池單體的溫度變化趨勢(shì)基本相同，依次迅速上升到最高溫度、快速下降再小幅度上升。在電池模組熱擴(kuò)散過(guò)程中，#1號(hào)電池發(fā)生熱失控后，溫度上升到最高點(diǎn)，由于熱擴(kuò)散，溫度降低，與其相鄰的#2 號(hào)電池的前壁面先吸收熱量，電池溫度先升高到200 ℃左右后，電池溫度上升變緩，持續(xù)一段時(shí)間后電池進(jìn)入熱失控。此時(shí)，#1號(hào)電池也會(huì)吸收#2 號(hào)電池產(chǎn)生的熱量，進(jìn)一步導(dǎo)致#1 號(hào)電池溫度再度上升。#3和#4號(hào)電池也依次重復(fù)上述的類似過(guò)程。此外，根據(jù)圖9得知，#4號(hào)電池的溫度略微高于#2 和#3，這是因?yàn)楫?dāng)#1～#3 電池都發(fā)生熱失控時(shí)，模組內(nèi)的熱量大部分集中在電池#1～#3，#1～#3電池與#4電池之間溫度梯度更大，更利于熱量的傳播和吸收。值得注意的是，由于模組內(nèi)的熱擴(kuò)散加劇了熱失控的發(fā)生，相同情況下，針刺單個(gè)電池時(shí)的Tmax為542 ℃；而針刺模組#1電池的Tmax為935 ℃，且溫升速率也顯著提高。
圖9 電池模組內(nèi)#1～#4電池溫度Fig.9 Battery temperature #1～#4 inside the battery module
2.1 模組針刺熱擴(kuò)散單因素試驗(yàn)仿真
2.1.1 針刺直徑對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響
分別對(duì)R為2 mm、3 mm、4 mm、6 mm時(shí)電池模組熱擴(kuò)散進(jìn)行研究，如圖10所示。由圖可知，R越大，#1電池的Tmax越小，R的改變對(duì)#2～#4電池的Tmax影響不大，即只要#1電池發(fā)生熱失控，相鄰電池都會(huì)依次發(fā)生熱失控。R從2 mm增加到6 mm時(shí)，模組內(nèi)#4 電池的tmax延后了5 s；相較于R為2～4 mm 的情況，R大于4 mm 后，模組內(nèi)#1～#4 號(hào)電池的tmax明顯變長(zhǎng)，電池單體之間熱擴(kuò)散變難。此外，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R為7 mm 時(shí)電池模組并未發(fā)生熱失控，這與電池單體試驗(yàn)結(jié)論一致。
圖10 (a) 不同直徑對(duì)電池?zé)崾Э刈罡邷囟扔绊懀?b) 不同直徑對(duì)電池?zé)崾Э氐竭_(dá)最高溫度所需時(shí)間Fig.10 (a) Influence of different diameters on the maximum thermal runaway temperature of batteries;(b) Time required for different diameters to reach the maximum thermal runaway temperature of batteries
2.1.2 SOC對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響
圖11 為電池SOC 對(duì)模組電池針刺熱失控溫度的影響。由圖可知，SOC對(duì)電池模組的熱擴(kuò)散行為影響較為顯著。隨著SOC 的增加，電池模組發(fā)生熱失控的時(shí)間有所提前，各電池單體所達(dá)到的Tmax變大。與電池單體不同的是，當(dāng)SOC在85%～100%變化時(shí)，模組內(nèi)各電池單體的Tmax變化更明顯，而當(dāng)SOC在20%～90%變化時(shí)，電池單體的Tmax變化更明顯?？偟膩?lái)看，SOC的改變對(duì)#1電池發(fā)生熱失控的時(shí)間影響不大，但對(duì)#2～#4電池有較大影響。因?yàn)?1號(hào)電池是通過(guò)針刺引發(fā)熱失控，由上文的電池單體試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SOC在60%～100%時(shí)針刺電池單體會(huì)立刻引起熱失控；#2～#4電池則是通過(guò)熱擴(kuò)散引發(fā)的熱失控，電池SOC越低，其安全性能越高，在模組熱擴(kuò)散過(guò)程中發(fā)生熱失控風(fēng)險(xiǎn)更低。
圖11 (a) 不同SOC對(duì)電池?zé)崾Э刈罡邷囟扔绊懀?b) 不同SOC電池?zé)崾Э氐竭_(dá)最高溫度所需時(shí)間Fig.11 (a) Influence of different SOC on the maximum thermal runaway temperature of batteries;(b) Time required for different SOC to reach the maximum thermal runaway temperature of batteries
2.1.3 針刺深度對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響
為探究針刺深度對(duì)電池模組熱擴(kuò)散行為的研究，分別模擬針刺電池個(gè)數(shù)N為1、2 時(shí)電池模組熱擴(kuò)散的情況，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，針刺越深，電池模組熱擴(kuò)散越快，N為2 時(shí)，整個(gè)模組發(fā)生熱失控的時(shí)間比N為1 時(shí)提前15 s。與N取1 相比，N為2時(shí)會(huì)額外產(chǎn)生一部分歐姆熱，這也加劇了熱擴(kuò)散的速度，但#3 和#4 電池的Tmax有所降低，說(shuō)明過(guò)高的溫度雖然會(huì)加速模組之間的熱量熱擴(kuò)散，但會(huì)抑制電池之間的熱量吸收。同時(shí)，當(dāng)N取2 時(shí)，#1號(hào)電池的溫度先達(dá)到第1個(gè)溫度峰值；隨后因受#2 號(hào)電池的影響，#1 號(hào)電池的溫度在極短時(shí)間內(nèi)再次上升，加劇了電池?zé)崾Э氐膰?yán)重性。
表3 不同針刺電池?cái)?shù)量下模組電池單體熱失控最高溫度及所需時(shí)間Table 3 Maximum temperature and time required for each cell in module under different battery numbers
2.2 模組針刺熱擴(kuò)散正交試驗(yàn)
在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，所選定的因素在當(dāng)前的狀態(tài)及條件發(fā)生的變化，可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)也發(fā)生變化，因此，各個(gè)因素變化的狀態(tài)及條件稱為水平。某一個(gè)因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可能隨著其他因素不同水平而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為因素間的交互作用。為分析不同因素及其交互作用對(duì)熱擴(kuò)散的影響，在通過(guò)單因素試驗(yàn)，得到不同因素對(duì)模組電池針刺熱擴(kuò)散影響趨勢(shì)后，利用正交設(shè)計(jì)表，對(duì)R、N、SOC進(jìn)行正交試驗(yàn)，因要考慮三因素間交互作用，因此，實(shí)際共有9個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平。根據(jù)正交表選取原則，當(dāng)因素水平相同時(shí)，需選取行數(shù)大于9的正交表，所以選取L27(313)正交表，L表示正交試驗(yàn)、27為需進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)即正交表行數(shù)、3為水平數(shù)、13為因素個(gè)數(shù)即正交表列數(shù)。正交試驗(yàn)中各因素水平的選取見(jiàn)表4，其中1～3表示不同因素水平。
表4 正交試驗(yàn)因素與水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test
結(jié)果分析如表5所示，A、B、C分別代表模組中每個(gè)電池單體的SOC、R、N，*表示各因素的交互作用，以模組中電池單體的平均溫度Tem 和#4 電池達(dá)到熱失控最高溫度的時(shí)間Time作為試驗(yàn)指標(biāo)，kni表示各因素在不同水平下不同指標(biāo)總和的均值，公式如式(1)。Ri代表不同指標(biāo)下各因素的極差，其值等于最大與最小的各因素不同水平下的試驗(yàn)指標(biāo)總和均值的差值，公式如式(2)。
表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of Orthogonal test
其中，n為Tem或Time；i為因素水平，取1～3；Knij表示正交表第j列上因素取i水平時(shí)，所對(duì)應(yīng)的n指標(biāo)之和；s為正交表第j列上因素i水平出現(xiàn)次數(shù)；Rn反映了不同因素水平對(duì)于模組電池?zé)崾Э販囟燃皵U(kuò)散時(shí)間的影響程度，Rn越大該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著。
針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本工作采用極差分析做進(jìn)一步研究。極差分析是在考慮某個(gè)單因素時(shí)，設(shè)定其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是均衡的，從而得到該因素各個(gè)水平差異是通過(guò)該因素本身造成。由此，通過(guò)比較Rn的大小，從表5中得到各因素對(duì)溫度和熱擴(kuò)散時(shí)間的影響程度主次順序依次為：N>R>SOC*R>SOC*N>N*R>SOC。即針刺電池?cái)?shù)量N的改變對(duì)電池模組熱擴(kuò)散行為的影響最顯著，N越大，模組內(nèi)熱失控越嚴(yán)重，N為2時(shí)，模組內(nèi)電池單體的平均溫度明顯高于N為1時(shí)模組內(nèi)電池單體平均溫度，N越大，電池模組在短時(shí)間內(nèi)聚集的焦耳熱越多，導(dǎo)致模組內(nèi)熱失控反應(yīng)更劇烈。模組電池?zé)釘U(kuò)散受針刺直徑R影響也十分顯著，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)針刺電池發(fā)生熱失控時(shí)，鋼針同時(shí)帶走一部分熱量，針刺直徑R越小，鋼針帶走的熱量越少，電池表面溫度分布越不均勻，熱失控越劇烈，同時(shí)加劇了模組電池的熱擴(kuò)散。
此外，雖然SOC對(duì)電池模組熱擴(kuò)散的影響最小，但SOC*R、SOC*N依次排在結(jié)果的第3、4位，即：相對(duì)于SOC 對(duì)模組電池?zé)釘U(kuò)散的影響，SOC 與針刺直徑及針刺電池?cái)?shù)目的耦合作用對(duì)模組電池的熱擴(kuò)散影響更大。通過(guò)極差分析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到，不同因素之間的耦合作用不能忽略。因此，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究電池模組熱擴(kuò)散行為時(shí)，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需考慮SOC、R、N的耦合影響。參考文獻(xiàn)[18]表明，影響模組電池?zé)釘U(kuò)散的主要因素是電池本身的熱失控特性，其次是電池的散熱條件及電池間的傳熱條件。Wang 等[19]通過(guò)研究不同鎳比的NCM電池發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池比能量、自熱溫度、熱失控觸發(fā)溫度、熱失控最高溫度相似時(shí)，無(wú)論電池具有何種電化學(xué)特性，電池模組熱失控?cái)U(kuò)散行為都相似。因此，該論文研究方法及結(jié)論也適用于與本工作研究電池相同材料、相同排列方式的大容量電池模組。
3 總結(jié)
以軟包鋰離子電池和電池模組為研究對(duì)象，分析多因素對(duì)電池單體和電池模組針刺熱失控的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)得出不同因素對(duì)電池模組熱擴(kuò)散影響程度的主次順序，為提高電池的安全性及電池設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。主要結(jié)論如下：
（1）針刺速度越大，電池單體熱失控時(shí)間越提前，且溫度越高；針刺位置直接影響電池表面溫度的分布，且鋼針直徑對(duì)于電池散熱有很大影響。
（2）SOC越大，電池?zé)崾Э匕l(fā)生得越劇烈，且存在某臨界SOC 導(dǎo)致電池?zé)崾Э?；SOC 越高，電池表面溫度分布越不均勻。對(duì)于單體電池?zé)崾Э?，?dāng)SOC在20%～90%內(nèi)變化時(shí)，電池?zé)崾Э刈罡邷囟茸兓黠@；對(duì)于模組電池?zé)崾Э?，SOC在85%～100%內(nèi)變化時(shí)，熱失控最高溫度變化更明顯。
（3）電池模組內(nèi)熱擴(kuò)散會(huì)加劇熱失控，且熱量在模組縱向上的擴(kuò)散明顯快于橫向上?？v向上看，針刺開(kāi)始時(shí)，熱量在針刺位置以半橢圓的形式快速向四周擴(kuò)散；電池模組針刺的電池單體個(gè)數(shù)越多，模組內(nèi)熱擴(kuò)散速度越快，熱失控越劇烈。但試驗(yàn)同時(shí)表明，當(dāng)電池溫度過(guò)高時(shí)，雖然在一定程度上加快了熱擴(kuò)散，但也會(huì)抑制相鄰電池的熱量吸收。
（4）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對(duì)電池模組熱失控平均溫度及熱擴(kuò)散時(shí)間的影響程度主次順序?yàn)椋篘>R>SOC*R>SOC*N>N*R>SOC。對(duì)于針刺熱失控，相對(duì)于SOC 對(duì)電池?zé)崾Э氐挠绊?，SOC與針刺直徑及針刺電池?cái)?shù)目間的耦合作用更大。因此，電池?zé)崾Э氐牟煌蛩氐鸟詈献饔貌蝗莺鲆暋?/p>
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