摘要
随着全球经济的高速发展和环境问题的日益严重，电动汽车逐渐被广泛的应用在各个领域中，然而频繁出现的新能源汽车事故，使得动力锂离子电池安全性成为了阻碍电动汽车发展的关键因素。本文主要通过绝热量热仪(ARC，Accelerating Rate Calorimeter)对两种锂离子单体电池（20Ah磷酸铁锂方形电池，5Ah磷酸铁锂32650电池）在加热和绝热过充电情况下的热失控过程进行研究，并针对32650磷酸铁锂电池模组内单体电池发生过充及过热情况下的热量扩散过程进行了实验研究;构建了单体32650磷酸铁锂电池热失控的有限元模型，并分析了电池内部材料分解与其温升之间的关系;建立了32650电池模组和方形电池模组的失控扩散模型，研究模组内单体电池失控热量的扩散与电池间距大小之间的规律，并计算得到绝热环境下保证模组内失控不传播的电池安全间距。 首先，通过锂离子单体电池加热失控实验发现，在电池发生热失控之前，电池的开路电压发生明显的下降，说明可以通过电池电压的变化预测电池失控的发生。在不同SOC电池加热实验中发现，电池的SOC越高，失控产生的热量越多。对比20Ah磷酸铁锂方形电池与5Ah磷酸铁锂32650电池的失控过程，可以发现32650电池失控产生的热量比方形电池高。在不同倍率下32650电池过充电至热失控的过程中发现，热失控产热可以分为两段，第一段为电化学产热，第二段为内部材料分解产热，其中第一段为电池发生热失控的诱因，第二段为电池材料分解的链式反应热，是导致电池最终发生热失控的根本原因。不同倍率下方形电池的过充电过程与圆柱电池稍有差别，分析其原因可能是因为电池所能够承受的电流密度的不同所造成的。实验中还发现对于32650电池，3C过充电更危险。对于方形电池，1C过充电更危险，并且电压变化都有一定的规律性。 其次，在5Ah磷酸铁锂32650电池模组失控实验中，电池在模组中发生过充电时的电压变化与单体电池基本相同，但过充电不会使电池发生热失控，而且整个模组也未发生热失控。在过充电之后，过充电池有少量电解液发生泄漏，导致电池外包装被腐蚀，金属外壳裸露在外，使电池模组存在短路的危险。在模组中单体电池加热失控实验中，由于失控的电池受热传导的影响，其最高温度要比单体电池在加热情况下失控的温度低，失控之后电池温度会迅速下降，但在绝热环境中，模组的温度还会继续升高，并最终导致整个模组的热失控，这说明绝热环境中单体电池的失控能量能够引发模组的热失控。在模组失控过程中，还发现模组失控之前，电压出现明显的变化，说明串联电池模组的热失控也可以通过其电压来判断。 再次，通过集总化学反应动力学-三维传热耦合模型可以准确计算电池热失控的过程，仿真结果发现在热失控过程中电池内部温度要高于表面温度，因此通过表面测点的温度变化率计算的电池热量要小于实际电池的产热。在热失控电池与周围环境的换热过程中，通过热辐射对外界传递的热量要高于热对流。在电池达到230℃前，SEI膜基本上被完全分解，部分电池活性材料少量分解，达到230℃以后，所有活性材料迅速分解，产生大量的热，导致电池热失控。通过计算同样发现电池SOC越高，失控产生的热量越多，最终失控的温度也越高。 最后，通过仿真32650磷酸铁锂电池模组和方形磷酸铁锂电池模组的热失控过程，发现电池失控的起始时间点会随着电池间距的增大而增大，当方形模组电池间距达到1mm时，圆柱模组电池间距达到3mm时，中心电池失控不会触发周边电池的失控。与方形电池模组相比，圆柱电池模组内各个电池失控的起始时间要更长，但由于圆柱电池本身失控能量较高，绝热环境下保证失控不传播的安全间距也就越大。
NETL