摘要簡(jiǎn)介 Structurally compact battery packs significantly improve the driving range of electric vehicles.Technologies like Cell-to-Pack increase energy density by 15%–20%. However, the safety implications of multiple tightly-packed battery cells still require in-depth research. This paper studies thermal runaway propagation behavior in a Cell-to-Pack system and assesses propagation speed relative to other systems. The investigation includes temperature response, extent of battery damage, pack structure deformation, chemical analysis of debris, and other considerations. Results suggest three typical patterns for the thermal runaway propagation process: ordered, disordered, and synchronous. The synchronous propagation pattern displayed the most severe damage, indicating energy release is the largest under the synchronous pattern. This study identifies battery deformation patterns, chemical characteristics of debris, and other observed factors that can both be applied to identify the cause of thermal runaway during accident investigations and help promote safer designs of large battery packs used in large-scale electric energy storage systems. 背景介紹 為解決純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程焦慮問(wèn)題，需要提高車載動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度。在模組和電池包層面，傳統(tǒng)的電芯—電池模組—電池包的系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)方式逐漸向無(wú)模組（Cell-to-Pack，CTP）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。采用CTP設(shè)計(jì)思路將電芯以陣列的方式直接裝到電池包殼體內(nèi)，省略了將電芯組成模組的結(jié)構(gòu)，可以使電池包的零部件大幅度減少，進(jìn)而提升電池包體積利用率。動(dòng)力電池的去模組化對(duì)提升電池包能量密度以及降低成本有積極的作用，有助于車企和電池企業(yè)降低制造成本，有望成為未來(lái)動(dòng)力電池技術(shù)的主流之一。 2019年9月26日，由北汽新能源與寧德時(shí)代攜手打造的全球首款CTP電池包在中國(guó)藍(lán)谷正式發(fā)布。采用全新CTP技術(shù)的無(wú)模組電池包，相較于目前市場(chǎng)上的傳統(tǒng)電池包，體積利用率提高了15%-20%，零部件數(shù)量減少40%，生產(chǎn)效率提升了50%，投入應(yīng)用后大幅降低了動(dòng)力電池的制造成本。在能量密度上，傳統(tǒng)的電池包能量密度平均為140-150Wh?kg-1，而CTP電池包能量密度可達(dá)到200Wh?kg-1以上。開展CTP熱失控蔓延實(shí)驗(yàn)可以為整包級(jí)熱失控蔓延模型的搭建、標(biāo)定及事故調(diào)查提供數(shù)據(jù)支撐。目前，尚未對(duì)CTP系統(tǒng)的熱失控蔓延特征開展系列研究。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) CTP電池包熱失控蔓延實(shí)驗(yàn)需要研究熱失控蔓延特性、煙氣流動(dòng)規(guī)律、電池包內(nèi)空氣域溫度變化規(guī)律，因此基于單排模組和雙排模組的測(cè)試結(jié)果在電池側(cè)面、液冷板、頂蓋內(nèi)外、空氣域等位置共布置K型熱電偶118個(gè)，煙氣傳感器4個(gè)、VOC傳感器12個(gè)；傳感器編號(hào)與分布如圖1、2所示。為了減少高溫導(dǎo)致的傳感器連接線損壞，對(duì)傳感器連接線作了耐高溫處理。為了為新能源汽車事故調(diào)查提供數(shù)據(jù)支撐，還對(duì)電池包熱失控過(guò)程中的噴發(fā)顆粒物的理化特性開展了研究，主要測(cè)試手段如圖3所示。 圖1 CTP電池系統(tǒng)參數(shù) 圖2 CTP電池包傳感器布置 結(jié)果與討論 4.1熱失控傳播特性 圖4 CTP電池包熱失控蔓延特性 圖5 CTP電池包熱失控蔓延路徑 4.2煙氣流動(dòng)規(guī)律 圖6 CTP電池包熱失控氣體擴(kuò)散規(guī)律 4.3電池包內(nèi)部溫度響應(yīng) 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采集了M1~M3模組區(qū)域溫度、M4模組噴發(fā)口上方液冷板底面溫度、電池包箱蓋內(nèi)外溫度、電池包之間的空隙處，溫度曲線如圖7所示。CTP電池包在整個(gè)熱失控蔓延過(guò)程中，M1~M3模組未觸發(fā)熱失控。電池模組側(cè)面溫度曲線顯示，在整個(gè)熱失控過(guò)程中，如果不考慮火焰導(dǎo)致的瞬間高溫，整個(gè)模組溫度介于90℃~170℃之間。其中，M1模組溫度介于23℃~131℃之間，三個(gè)模組側(cè)面溫度上升階段對(duì)應(yīng)著同步蔓延及具有明火的穩(wěn)定燃燒階段。由此可以看出，CTP電池包M4-M5模組和M1-M2-M3模組中間的空氣阻隔具有一定的熱失控蔓延阻斷作用。電池包內(nèi)外頂蓋及內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度特征顯示，同步蔓延出現(xiàn)之前，電池頂蓋內(nèi)最高溫度始終低于300℃，同步蔓延之后，溫度介于300℃~700℃之間。電池包內(nèi)空氣域高溫集中在BMS上方區(qū)域（圖中的紅色陰影區(qū)域）。該區(qū)域設(shè)計(jì)為凸起形狀，最容易積累熱煙氣，實(shí)驗(yàn)視頻中可以看到，在熱失控蔓延實(shí)驗(yàn)過(guò)程中該區(qū)域最先破開，因此在進(jìn)行CTP電池包的熱失控蔓延防控時(shí)，該區(qū)域要作為重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域。 圖7 CTP電池包熱失控蔓延的內(nèi)部溫度變化規(guī)律 4.4煙火時(shí)序特征 如圖8所示，電池發(fā)生熱失控，釋放的氣體導(dǎo)致電池包內(nèi)壓力升高，當(dāng)電池包內(nèi)部壓力超過(guò)20kPa~40kPa時(shí)，泄壓閥開閥排氣；隨著失控氣體及高溫顆粒物流動(dòng)，電池失控的噴發(fā)物質(zhì)在M4模組與M1模組中間的BMS區(qū)域聚集，高溫?zé)煔鈱?dǎo)致此處外殼破損，大量的黑煙從破損處噴射出來(lái)。M4模組中的電池在側(cè)向傳熱及熱煙氣的耦合作用下，依次發(fā)生熱失控，隨著電池側(cè)面及熱煙氣對(duì)鄰近橫排模組的加熱，在順序蔓延第6節(jié)電池后，同步蔓延發(fā)生。同步蔓延過(guò)程中，7節(jié)電池在10s內(nèi)全部發(fā)生熱失控。在同步蔓延后期，電池包失控氣體的形態(tài)發(fā)生變化，逐漸由濃黑的煙氣向白色煙霧轉(zhuǎn)變，并出現(xiàn)“白煙—黑煙—白煙"交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。隨后，在觸發(fā)位置發(fā)生爆燃，可見(jiàn)帶壓射流明火從觸發(fā)位置噴射出來(lái)。這里可以推斷，電池包出現(xiàn)明火的前兆是“黑煙白煙霧交替"出現(xiàn)，消防救援人員在觀察這一情景時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，靈活調(diào)整技戰(zhàn)術(shù)或者主動(dòng)撤退，最大限度的避免傷亡事件發(fā)生。 圖8 CTP電池包熱失控蔓延煙火時(shí)序 4.5質(zhì)量損失及形變 圖9 CTP電池包的熱失控蔓延質(zhì)量損失情況 圖10 CTP電池包熱失控蔓延形變規(guī)律 4.6噴發(fā)顆粒物理化特性 結(jié)論 本文研究了全球第一代CTP電池包的熱失控蔓延特性。分析了CTP電池包的熱失控蔓延過(guò)程中的溫度響應(yīng)、氣體擴(kuò)散、蔓延規(guī)律、質(zhì)量損失及形變、煙火時(shí)序等，同時(shí)采用多種理化分析手段，定性與定量分析了噴發(fā)顆粒物的理化特性。得出以下主要結(jié)論。 (1) CTP電池包熱失控蔓延主要有三種主要模式，分別是順序蔓延、同步蔓延和亂序蔓延；同步蔓延對(duì)電池造成的損害比其他蔓延行為嚴(yán)重。 (2) CTP上下模組之間的液冷板及云母片無(wú)法抑制熱失控縱向傳播；而增大模組與模組之間的空氣域則有助于防止模塊間蔓延。 (3) 熱失控蔓延過(guò)程中形變凸起的方向指向最先失控的電池，同步傳播導(dǎo)致電池?fù)p壞和質(zhì)量損失更加嚴(yán)重，電池形變凸起規(guī)律不明顯。 (4）CTP熱失控蔓延過(guò)程中，電池包內(nèi)部未觸發(fā)熱失控區(qū)域的溫度介于90～170℃之間。電池包出現(xiàn)明火的時(shí)間為首節(jié)電池觸發(fā)熱失控45mins后。 (5) 根據(jù)熱失控噴發(fā)顆粒物元素價(jià)態(tài)變化的敏感性，對(duì)電池組成材料中的元素進(jìn)行分類，其中敏感元素包含Al、C、F、Mn、Ni和P，不敏感的元素是Co、Cu、S、Li和P。 更多詳細(xì)完整內(nèi)容請(qǐng)參閱原文，原文下載和引用： H. Wang, Q. Wang, Z. Zhao, C. Jin, C. Xu, W. Huang, Z. Yuan, S. Wang, Y. Li, Y. Zhao, J. Sun, X. Feng, Thermal runaway propagation behavior of the Cell-to-Pack battery system, J. Energy Chem. 84 (2023) 162–172. DOI：10.1016/j.jechem.2023.05.015 作者簡(jiǎn)介 第一作者 通訊作者
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