电池整包热失控是怎样发生的？通过实验看看里面的传导机制

研究整包热失控实验是需要较高成本的，整包样件的费用、配置探测电压、温度实验设备都是一笔不菲的开支，特别是大容量电芯和模组样件（淘宝上有些）还不太好买，所以很多研究者主要以1865021700的案例为主。最近有个很有意思的案例，是清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的ShangGao，在《ExperimentalStudyonModule-to-ModuleThermalRunaway-PropagationinaBatteryPack》一文里面披露了一个实验包和部分实验数据，今天我们来仔细看一看这个里面的数据和现象。

备注：我把文章里面的温度和事件参数抽出来做了整理，可参见原文仔细读一读

1）实验对象的参数和搭建

这个电池包是一项联合研究，由车企所提供，整个配置为13kWh，成组为96S1P，采用8个VDA的PHEV2的模组，布置时采用双层结构，上下两层各4个模组。

这个测试的目的，是希望在底下的一层选一个激发单电芯热失控模组，然后仔细分析评估左右和整包的热失控的过程。如下图所示，这里面加入了温度传感器，并且模组的压力是变小了，只用外部的简易固定装置来处理。实际电池模组的压力和约束，会在电芯膨胀的时候产生不小的影响，这里会有一个实验搭建带来的差异点。

在这个PHEV的电池系统里面，所选择的模组标记为DUT，我们观察的对象是模组的左侧模组和上层模组，而右侧由于有一根梁做了一些物理上的隔断，整体的蔓延过程相对慢一些。电池系统整个实验过程可以分为，一开始主要是在选择的DUT的模组内进行热蔓延，持续时间大约40分钟，然后在接下来的10分钟左右，左侧相邻和上方的模组开始出现很快的热蔓延，最后扩展为整个电池系统的燃烧。

2）单个模组内的热失控

之前有研究者对此做了很多的工作，也对这个过程建立了比较详细的模型和机理的分析，这里只是进一步描述一些现象。DUT模组内各个电芯热失控的规律，我重新做了整理：黄色线是模组相邻被激发电芯的温度，灰色线是没有热失控前的温度，蓝色的线是电芯相继出现热失控的间隔时间。也就是说，实际在热失控过程中一旦开阀以后，电池表面温度在400°C到550°C之间，平均温度495°C；电芯表面温度在100°C到200°C之间，平均温度144°C，会发生热失控。

这里的模组里面每个电芯之间是加了隔热材料的，如下所示，所以整体的结果是在60分钟以后传递到第二个模组。

备注：这个表面温度其实有些不准确，后面会分析到。

3)相邻模组的热失控传播

上方的第二个模组是在66分钟以后出现连锁的热失控情况，第三个模组在68分钟以后出现问题，而这一次在高温烘烤下，模组的热失控过程都在10分钟完成了。如下图所示，在一定条件下整个热失控的过程是无序的，下方喷阀火焰直接对上方的水冷板进行了烘烤。

备注：我们可以看到环境温度其实对模组内电芯热失控有影响，而直接的火焰和烟气如果处理不善，哪怕有水冷板最终的结果也会使得电芯热失控。

如果感兴趣，我们可以看到这个温度点差异是有的，特别是有以下的一些考虑：

●相邻模组：相邻模组的速度，由于有模组间直接相连的母线排连接，使得这一组的电芯表面温度很低时就直接开阀了，甚至温度还没到我们预期的温度；

●双层模组设计即使通过支架和水冷板隔开，如果喷阀过程没有考虑过隔热设计，这一个个电芯开阀的温度就直接对着金属支撑结构和水冷板喷火，最终的结果是吸收大量的热量，并且很均匀，使得在表面温度不高的情况下，也会很早开阀；

这个是抓取出来的温度突变点，也就是电芯的表面热失控之前的那一刻的温度情况。总的来说，NCM111的耐温性还是很好的，523要打折，811则更要打折了。所以实际上，我们如果想用模组的温度传感器抓住温度的变化，有一些困难，设计的NTC在这个过程中由于烟气的原因，要么响应不及时，要么那时候已经损坏了，要仔细考虑NTC在这种破坏性的条件下怎么处理，我觉得可行的办法，可能是建立一些类似感温线这样的特殊选型的NTC来应对这个特殊温度的采集，这个之前我也提过。

小结：

我们在这类37Ah（164Wh/kg且容量有限，并且是1P的使用）的经典的设计中通过合理的布局，是完全可以控制住整个热失控蔓延的过程，但是我们发展的方向是追求能量密度，追求体积利用率，这就造成会失去足够的间隙，失去足够的缓冲空间，这里还是一个平衡，如何在一个范围内使得电芯不蔓延。