锂离子动力电池系统热失控抑制技术和热防护设计综述*

李恺翔 王珺瑶 李士戎

（1.广州汽车集团汽车工程研究院，广东广州 511436；2.广汽埃安新能源汽车有限公司，广东广州 511436；3.中山大学低碳科技与经济研究中心，广东广州 510006；4.山西省消防救援总队，山西太原 030001）

0.引言

安全性是电动汽车动力电池设计的核心性能之一，随着电动汽车保有量的快速增长，电池安全事故明显增加，成为社会关注热点。中国电动汽车百人会（China EV100）研究统计结果-《2019电动汽车安全报告》、中国新能源汽车评价规程（CEVE）发布的《2019年动力电池安全性研究报告》以及新能源汽车国家大数据联盟（NDANEV）发布的《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》均指出由动力电池热失效造成的烧车事故呈连年上升趋势，电池安全问题成为制约新能源汽车产业发展的关键因素[1-3]。国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求》也对动力电池热安全防护提出了强制要求[4]。

当前电动汽车动力电池系统持续向高比能量和集成化发展为电池安全设计带来挑战。当前电池材料体系无重大突破，即电池本征安全短时间内无法明显改善，为满足电池安全性能要求必须对电池系统进行合理的热防护设计或应用热失控抑制手段。本文通过总结梳理现有电池系统热防护设计思路，针对不同电芯热扩散路径和热失控特点，从电芯间热防护、模组间热防护和电池系统整包热防护3个层面解析了热防护材料和热设计方案。此外还综合评估了紧急冷却、全氟己酮喷射、气溶胶和冷媒直冷等热失控抑制技术在电池系统上的应用。

1.电池系统热防护设计

1.1 电芯间热防护设计

如图1所示目前消费类锂离子电芯主要有扣式、圆柱形、薄板型（软包）、方形4种形式，其中电动汽车主要用到的是圆柱形、薄板型（软包）、方形电芯，根据电芯形式不同，需针对性设计电芯间热防护方案。

图1 各类型锂离子电芯

圆柱电池一般采用极片卷绕方式，由于体表面积较大，散热性能要优于方型电池[5]。此外，圆柱形电池可依据具体需求而进行多种形式的组合，便于电池包空间的充分布局。圆柱形电池的电芯间热防护方案一般采用灌封胶或结构胶如图2（a）中灰色部分所示。每个电芯周围使用阻燃结构胶材料进行填充，当某个电芯发生热失控后热量被约束在热失控电芯内，避免扩散至周围电芯从而阻断热失控连锁反应。除阻燃结构胶的方案外，还有学者利用石墨石蜡复合相变材料（EG/PCM）对圆柱电池进行热防护的相关研究[6-9]。通过热负荷计算利用相应数量相变材料的相变潜热来吸收热失控能量，石蜡材料发生相变以稳定热失控电芯周围温度。此外研究者将石蜡与膨胀石墨进行复合，经过压制工艺做成板状膨胀石墨石蜡复合材料，以解决石蜡导热性能差以及相变后变成液体流动的问题。

方形电池内部采用卷绕式或叠片式工艺，对电芯的保护作用优于软包电池，其顶部端盖一般设计有防爆阀和翻转片，电芯安全性相对圆柱型电池也有了较大改善。方形电池的电芯间热防护方案一般采用在电芯大面布置隔热垫方案[10]，如图2（c）中粉色部分所示。隔热垫材质一般使用预氧丝或陶瓷纤维气凝胶，配合硅胶框和PET（Polyethylene Glycol Terephthalate）膜封装。需要注意的是由于方形模组一般为固定长度（如355/390/590标准模组），隔热垫总厚度受模组内电芯数量限制。例如在3P6S 18电芯的模组内，预留隔热垫总厚度为17mm，可在每颗电芯间布置1mm厚度隔热垫，亦可每3颗电芯布置一个厚度为3.4mm的隔热垫，通过热失控仿真或验证测试可比较不同方案在热扩散速率和热失控节奏的差异，通过隔热垫布置方案优化热扩散结果。

软包电池以铝塑膜为外包装，一般采用叠层工艺。与方形电池相比，软包电池具有设计灵活、重量轻、内阻小、不易爆炸、能量密度高等特点。软包电池电芯间热防护方案与方形电芯类似，但是由于软包电芯充放过程中膨胀现象较明显，隔热垫回弹性能较为局限需辅以支撑泡棉材料，如图2（c）中黑色部分所示。

图2 不同电芯的电池模组结构

1.2 电池模组间热防护设计

如图3所示，电池模组由若干电芯串并联组成，电池系统由若干模组串并联组成。设计电池系统热防护思路优先考虑将热扩散控制在热失控触发电芯或几个相邻电芯范围内，若热扩撒无法在电芯间控制则需将热量约束在热失控模组内，避免模组间热扩散造成大规模热失控。

图3 电池系统的组成

热失控模组产生的热量对相邻电池形成了“外部高温环境”，模组间热失控主要通过在模组之间填充和布置隔热材料，可采用云母板、玻璃纤维、陶瓷板、岩棉板、陶瓷化硅橡胶[11]、气凝胶、高硅氧布等材料制作隔热层，设计模组间隔热垫、模组罩等热防护件。电池模组间一般相互独立（无直接接触），热量主要通过对流和热辐射方式传播，如图4所示，模组防护罩等热防护件可有效避免热失控高温烟气对相邻模组的冲击和炙烤，保证相邻模组温度保持在热失控起始温度T1以下，阻止热失控进一步发展。

图4 电池模组防护罩

1.3 电池系统整包热防护设计

1.3.1 电池壳体防护

随着电芯能量密度的发展，热失控最高温度和高温气流冲击强度均随之上升，以正极某811材料的高比能电池热失控为例，最高温度可达1200℃，热失控瞬间建立的气压强度可达1MPa[12]。作为电池包覆盖件的上壳体无法承受如此高温和压力，高温火焰冲击下可以迅速烧穿电池包外壳，引燃车身，严重威胁乘员安全。为保证电池壳体热失控防护效果，壳体热防护设计一般采用芳纶、玻纤等高强度纤维复合陶瓷硅橡胶或超级棉等隔热材料进行贴合。复合材料的编织层可充分吸收高温烟气冲击，同时隔热层可阻止热量向电池包外传导，保障乘员舱安全。

1.3.2 电池系统尼龙水管及电器连接防护

电池发生热失控，常常伴随着高温气体的喷出。由于喷气气流速度快、温度高，电池内部材料会随气流一起喷出造成电池系统附件如尼龙水管迅速遭到破坏[13]。而热失控抑制策略中紧急水冷需要持续通入低温冷却液（水-乙二醇溶液）对热失控电芯进行冷却，为避免水冷系统漏液失效需对尼龙水管进行热防护设计，一般采用隔热橡胶管套进行保护如图5（a）所示，验证实验结果表明带有热防护件的尼龙水管可在电池系统热失控过程中保证冷却水持续循环而不发生漏液，此外还可避免由漏液造成的如绝缘失效等次生灾害。

除水管防护外，在电器连接方面还需考虑对模组间的连接铜排进行热防护设计。高温烟气中的碳化颗粒会使空气绝缘性能大幅降低造成绝缘失效，同时热失控时产生的金属熔融物（主要是由极片燃烧产生的铝和铜碎屑）附着在铜排连接处造成直接短路和拉弧现象。高能电弧的产生又会点燃可燃蒸汽（主要是电解液蒸汽）造成更大范围和更严重的热失效问题。铜排的防护方案一般使用陶瓷化硅橡胶对传统绝缘层进行替代，或使用云母胶带在铜排表面缠绕包裹，如图5（b）所示。

图5 电池系统附件热防护

1.3.3 高温烟气管控

除热量阻隔外，电池包整包热防护设计还需考虑热失控高温烟气流动的控制，避免热量随高温烟气无序扩散和蔓延[14-15]。烟气控制一般是通过预设在电池包内的烟气流道，经过分流、导流、换流方式将热失控高温烟气按照预设路径排出电池包，同时满足烟气降温、降压、阻燃的目标。

除烟气管控外还需考虑高温烟气的燃烧问题，解决烟气燃烧主要从混合烟气中氧气比例即燃烧极限出发。可燃气体在一定的浓度范围内和在着火温度下才能进行稳定的燃烧，这种极限浓度称为燃烧极限。当低于下限或高于上限浓度时均不能着火燃烧。电池热失控初期产生的烟气一般为过浓烟气，为合理管控热失控烟气需对流道和电池包壳体防爆阀进行优化设计以实现避免包外燃烧，当烟气通过防爆阀排到电池包外部与外部空气中的氧气充放混合，此时烟气浓度处于燃烧极限内，极易发生爆燃现象，通过防爆阀上或流道内的蜂窝状烟气过滤装置可有效屏蔽火星并阻止火焰外溢；避免包内燃烧，由于热失控存在一定节奏性（热扩散过程中的时间间隔），2次热失控期间包内温度压力下降，包外空气回进入电池包内使包内烟气混合到燃烧极限内引发二次燃烧。通过设计可多次闭合的电池包泄压阀可实现正压阻氧功能，有效解决上述问题。

2.电池系统热失控抑制技术

2.1 热失控紧急冷却

热失控紧急冷却策略是指电池系统借助其固有的热管理系统如水冷板、蒸发器等对热失控电芯进行快速冷却的技术[16]。当BMS系统检测到热失控热事件报警信号，VCU控制开启整车冷却回路，以水泵或压缩机以最大功率运行，通过循环水或空调冷媒带走热失控产生的热量，避免整包热扩散发生。此外还有研究通过改制冷媒直冷电池包内的蒸发器，设计了动力电池组直冷喷注超冷疏氧应急方案[17]。研究结果表明喷注制冷剂于热失控电池可达到明显的降温、疏氧作用，使热失控电池温度急剧下降，抑制有氧燃烧。此外通过优化喷射策略，采用间歇喷注可延展降温性，有效提升疏氧性。

2.2 热失控灭火系统

2.2.1 灭火剂选型

汽车电池系统和电子电器行业普遍使用的有3类灭火剂，针对电池热失控场景重点对比以七氟丙烷为代表的气体灭火剂、以全氟己酮为代表的液体灭火剂、以干粉气溶胶为代表的干粉气溶胶。

（1）七氟丙烷灭火剂，七氟丙烷化学式为C3HF7，是一种较为理想的阻燃气体。七氟丙烷的灭火机理属于化学灭火的范畴，通过灭火剂的热分解产生含氟的自由基，与燃烧反应过程中产生支链反应的H、OH-、O2-活性自由基发生气相作用，从而抑制燃烧过程中化学反应来实施灭火。

七氟丙烷灭火系统的优点：具有良好的灭火效率，灭火所需混合浓度（8%～10%）也较低。

七氟丙烷灭火系统的缺点：大量的实验证明，含氟卤代烷灭火剂在灭火现场的高温下，会产生大量的氟化氢（HF）气体，经与气态水结合，形成有强烈酸蚀作用的氢氟酸[18]。此外，七氟丙烷气体的储存压力为2MPa～4MPa，要求喷嘴的工作压力为不小于0.8MPa，在车载场景需额外配置高压储存容器。

（2）干粉气溶胶灭火剂，通过产生大量的固体微粒在空间内形成气溶胶，达到快速高效抑制火焰的目的。溶胶是利用固体微粒在高温下产生金属阳离子与燃烧反应过程中产生活性自由基团发生反应，以切断化学反应的燃烧链，抑制燃烧反应的进行，达到化学灭火的效果[19]。同时利用固体微粒（主要为钾盐）分解过程中产生的水来吸热降温。

气溶胶灭火装置的优点：气溶胶成本较低且灭火剂由于粒度小，可随热流扩散到达在起火位置，可用于相对密闭空间。

气溶胶灭火装置的缺点：产物为气、固两相流，在电池包内中需多点布置且靠近电池模组位置，会占用一定电池包空间。此外，因其产物中的金属阳离子容易于水结合生成碱性氧化物，并发生电离，导致电气设备受到污染和破坏[20]。

（3）全氟己酮灭火剂，全氟己酮灭火剂在常温下是一种无色、无味、透明、绝缘的一种液体，全氟己酮化学式为C6F12O，是一种较为理想的液体灭火剂。全氟己酮的灭火机理：全氟己酮在常温下是液体，受热易汽化并以气态存在，依靠蒸发吸热达到降温灭火的效果[21]。

全氟己酮具有在环境保护、毒性特征和灭火性能等方面的突出优点。因为全氟己酮常温下是液体，可以在常压状态下安全地使用普通容器在较宽的温度范围内储存和运输，非常适合车载应用场景。

综上所述，综合考虑环保、毒性、储存和灭火降温效果，以新能源大巴车为代表的动力电池系统普遍使用全氟己酮作为电池热失控抑制剂进行系统设计。

2.2.2 灭火系统整包集成设计

如图6所示，全氟己酮灭火系统主要由控制器、传感器、储液罐、电磁阀和喷头组成。当电池包内传感器感应到温度上升、电压下降、电池包压力变化等热失控特征，随即触发热事件报警并对储液罐加压推进全氟己酮喷射，在0.2s内对热失控电芯进行喷淋降温，避免热扩散发生。通过整包热失控验证测试，证明全氟己酮抑制剂可有效阻断电芯间热扩散。全程热失控测试过程中未出现包外明火，说明抑制剂可以有效降低热失控电芯及周边的温度，有效降低烟气温度及惰化烟气。

图6 全氟己酮喷射系统示意图

3.总结

安全是汽车设计时必须且优先考虑的要素，而电池安全是新能源汽车安全性的关键。电池系统热防护设计需根据其电芯热失控特点和热扩散路径，在电芯间模组间和整包热防护3个层面进行设计。电芯间热防护可有效控制热扩散速率，结合热失控抑制策略，将热失控范围控制在最小能量单元；模组间热防护可延缓或阻止模组间热扩散的发生，避免发生大规模无序的热失控；此外合理的排烟通道设计能够疏导火焰和高温喷射物，避免热扩散和二次燃烧。当单纯的热防护设计无法满足电池安全需求时还需考虑加入包括紧急冷却和灭火系统在内的热失控抑制手段。通过水冷或冷媒直冷系统持续“搬运”热量，为即将热失控的电芯快速降温，阻止链式反应；通过全氟己酮等灭火剂喷射系统对已发生热失控的电芯进行灭火和降温，同时通过蒸发混合后惰化高温烟气，避免电池包内和包外的烟气燃烧现象。本文分析对比了现有和前瞻的各类热防护和热失控抑制策略，通过优化组合可最大程度上避免或阻止热失控事故的发生，提升电池系统安全性能，同时也为工程应用和设计开发者提供了参考。