摘要
因为具备较高的能量密度和长循环寿命，锂离子电池广泛应用于电动汽车和储能电站等领域。但是频繁出现的锂离子电池热失控及热扩散事故成为锂离子电池大规模应用不得不面对的问题。目前在热失控及热扩散方面已经有一些研究工作，但是由于热失控及热扩散过程安全风险大、反应繁杂，现有研究手段仍不成熟，尤其对实际应用工况下的热失控及热扩散复杂过程的研究技术仍存在不足。因此，本论文重点解决锂离子电池热失控及热扩散研究中的关键技术问题，同时对锂离子电池热失控后产热、产气特征及并联电池模组电热效应对热扩散的影响规律进行系统的研究，为有效阻断模组热扩散发生提出电池模组热扩散阻断技术的边界条件研究方案，为锂离子电池热失控及热扩散的技术研究、标准制定、产品开发等提供有力的支撑。 针对热失控及热扩散研究中的单体电池热失控触发方法和热失控判定条件不明确的问题，选取了9款材料体系、形状结构、能量密度等方面具备显著差异的锂离子电池作为研究对象，分别以加热、针刺、过充作为触发电池热失控的方法进行研究，对触发热失控的成功率、反应程度和可操作性进行比较，发现加热更适于作为锂离子电池热失控的触发方法。进一步对9款电池在热失控过程中的温度、电压数据进行分析，发现温升速率≥1℃/s且电压下降率＞25%可以作为锂离子电池发生热失控的判定条件，该结果被国家标准GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》引用。从电池热失控预警的需求出发，分别在正常使用条件和热失控条件下对三元方形锂离子电池进行膨胀力变化的研究，结果表明锂离子电池在热失控发生前膨胀力明显增大，达到电池正常使用状态的4倍以上，膨胀力比温度具有更早和更好的辨识度，具备作为锂离子电池热失控预警条件的潜力。为了探讨低加热条件对触发热失控的影响，采用25平方厘米的加热片对锂离子电池进行加热，研究不同加热功率对触发锂离子电池热失控的影响，对37Ah方形三元锂离子电池和54Ah软包三元锂离子电池来说，加热功率为600W时最适宜；并提出基于电池重量和额定能量的加热功率的计算方法，该方法适用于三元圆柱锂离子电池。 在确立了锂离子电池热失控判定条件后，进一步研究锂离子电池热失控后的产气特征及其对热扩散的影响。采用传统加速绝热量热仪进行锂离子电池热失控产热特性测试，并开发了热失控后产气特性测试装置，对40Ah三元方形锂离子电池的热失控进行测试，结果表明产气过程约为7s，产气量约为33L。采用Amesim软件和StarCCM+软件联用对电池模组热失控及热扩散产热及产气过程进行仿真模拟研究，与单一软件相比简化了仿真模型创建过程。研究发现电池热失控后喷射的气体以及其所携带的能量使得远离热失控电池的区域温度也能够在热失控早期达到较高的状态，导致电池模组的热扩散打破原有的依次失控的顺序，证明将实际热失控时产气过程纳入仿真模型能够提供更加准确的研究结果。 为研究并联电池模组热失控及热扩散的规律，首先提出了直接测量并联电路电池发生热失控过程中的内短路电阻、电热效应功率等物理参量的方法，对四并25Ah方形磷酸铁锂电池模组热失控的实验研究表明，并联电路中热失控过程会经历内短路的建立、热失控剧烈反应以及热失控后持续电热反应三个阶段，热失控过程中短路电阻最小值约为0.5mΩ，并联电池对热失控电池的放电峰值电流超过1100A，稳定放电阶段的电热效应功率为600W至900W，表明并联电路对模组热扩散有重要的影响。对并联电池模组热失控进行仿真模拟研究，发现在不考虑系统与外界热交换的情况下，并联电池组会提高被触发热失控电池的最高温度和放热量；在随后的热扩散过程中，如果电池储存的电能随SOC变化率大于其热失控释放能量随SOC变化率，则并联电路将提高热扩散速率，反之则并联电路将降低热扩散速率。为了高效开发更加安全的锂离子电池模组和系统，提出了应用仿真模型快速获取有效阻断热扩散发生的边界条件方案，在某型号模组热安全设计开发工作中应用该方法，获得了不同空间条件下可以有效阻断热扩散的隔热材料导热系数边界及不同冷却液温度条件下可以有效阻断热扩散的流量边界。
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