DOI Link:
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126021
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ScienceDirect:
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UniversityWeb:
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Received: 10 April 2024
1. 科学问题
混合LIB TR 传播特性 混合LIB组的设计优化
2. 实验与模型方法
2.1 电池样品
1 温度测试
温度测量: 使用直径为0.5 mm的K型热电偶测量实验电池的温度，热电偶可测量高达1300 °C的温度，准确获取电池热失控时的特征温度（Fig. 1）。 操作环境: 整个热电偶安装过程在干燥室内进行（Fig. 1）。 电池放电: 首先将样品电池放电至0% SOC以确保安全操作。 电池开孔: 在电池侧面的中心点开直径4-5 mm的孔（Fig. 1(b)）。 扩大电芯间隙: 将绝缘棒插入两电芯之间，多次重复操作以扩大电芯间隙（Fig. 1(c)）。 热电偶插入: 将K型热电偶插入间隙中，确保热电偶探头位于电池中心（Fig. 1(d)）。 孔口密封: 使用耐高温的无机密封剂密封电池上的孔，并观察电池是否有电解液泄漏或其他异常情况。 静置与检查: 完成内置热电偶操作后，静置12小时，检查电池电压是否异常。
Fig. 1. Operation process of built-in thermocouple: (a) Discharge the battery to 0 % SOC; (b) Punch holes in the center of the battery side; (c) Expansion joint; (d) Implantation of thermocouples; (e) Sealing and gluing; (f) Voltage detection.
电池类型与实验设计: TRP测试分别在NCM 811和LFP电池上进行。每次实验使用4个完全充电的样品电池组装成小模块（Fig. 2(a)）。模块中的电池通过M10预紧螺栓施加1N·m的预紧力。 实验环境: 测试在防爆箱内进行，旁边有摄像机录像（Fig. 2(b)）。同时，数据采集器以100 ms的采样频率记录电池温度和电压。 NCM 811模块TR触发: 通过6 mm直径、20 mm/s速度的针刺触发第一个NCM 811电池的TR，针刺深度为第一个电池的厚度。 LFP模块TR触发: 对于LFP电池，采用外部加热触发模式，因为针刺无法有效触发TR。加热器的尺寸与LFP电池的大面相同，功率为600 W，触发第一个电池的TR后停止加热。 TRP实验结果:
NCM 811模块的所有4个电池均发生TR，TRP时间分别为69秒、78秒和73秒（Fig. 2(c)、2(d)、2(e)）。
LFP模块中仅第一个电池发生TR，且未发生TRP（Fig. 2(f)）。 火灾与安全性: NCM 811模块中的电池经历喷火、火花飞溅和燃烧，而LFP模块中只有第一个电池释放大量白烟。LFP电池模块的热安全性明显高于NCM 811模块。
Fig. 2. TRP experiments and results: (a) Experimental fixture; (b) Experimental equipment; (c) TRP process of the NCM 811 module; (d) TRP process of the LFP module; (e) TRP results of the NCM 811 module; (f) TRP results of the LFP module.
2 TR Model
热释放量计算公式: 电池的总热释放量
H t o t a l H_{total} T 1 T_1 T 3 T_3 实验结果与比较:
NCM 811电池的
T 1 T 2 T 3 LFP电池的
T 1 T 2 T 3 NCM 811电池能量密度更高，但热稳定性较差，容易发生热失控。LFP电池虽然能量密度较低，但热稳定性好。混合使用两者可以平衡热稳定性和能量密度。 仿真与实验结果对比:
对于NCM 811电池模块，四个电池的最大TR温度分别为965.35℃、978.55℃、981.93℃和980.47℃，热扩散时间间隔为67秒、81秒和75秒（Fig. 3(c)、3(d)）。
模型预测与实验结果的最大温度误差在1.6%至3.6%之间，热失控扩散时间间隔的误差在2.7%至3.8%之间。
对于LFP电池模块，仿真中第一个电池的TR时间为540秒，中心温度最高为603.3℃，触发时间误差为5秒，误差为0.9%。仿真与实验的最大温度误差为2.5%，曲线的最大误差为7.13%。
Fig. 3. TRP model and validation. (a) TR characteristic parameters; (b) 3D TRP model; (c) Comparison of TRP simulation and experimental results of NCM 811NCM 811 battery; (d) Comparison of TRP simulation and experimental results of LFP battery.
3. 研究结果
3.1 混合LIB组的TR扩散特性
1. 8L8L配置的TRP模型
配置介绍: 8L8L配置是NCM 811电池和LFP电池交替排列（Fig. 4(a)）。通过针刺触发第一个NCM 811电池的热失控。 TRP仿真结果: 第一个NCM 811电池发生TR，中心点最高温度为962.5℃。
第二个LFP电池未发生TR，中心点最高温度仅为143.1℃（Fig. 4(b)）。 温度变化分析: 第一个NCM 811电池的TR温度最高为1217.2℃，第二个LFP电池在196秒内最高温度为236.2℃，低于其热失控触发温度（Fig. 4(e)）。
LFP电池未发生TRP。 能量流动分析:
第一个NCM 811电池发生TR时，传递给第二个电池的热量峰值为754.8 W，之后逐渐减少，第二个电池的峰值热量传递为95.7 W（Fig. 4(d)）。
当第一个电池的热传递降低到430 W时，第二个LFP电池的温度不再上升，表明其热量吸收与散热平衡。 热量吸收:
第二个LFP电池在196秒至627秒间吸收了约4.7 WJ的热量，平均温度最高达到143.6℃（Fig. 4(f)），与热流模型计算结果一致。
第一个NCM 811电池的热量主要作用在LFP电池的前表面，并在196秒后趋于平衡（·）。
2. NCM 811与LFP电池组的热传递特性
LFP电池组热传递特性:（Fig. 5）
第一个LFP电池（Bat 1）在541秒时通过加热板的持续加热发生热失控（TR），吸收约15.6 WJ的热量。
Bat 1发生TR后，向第二个电池（Bat 2）传递的峰值热功率为582.5 W。
Bat 2经历了预热，吸收了约2 WJ的热量。 NCM 811电池组热传递特性:
NCM 811电池在吸收4.4–5 WJ的热量后发生TR，TR期间产生的最大热功率约为700–800 W。
NCM 811电池在TR期间的热传递功率大于LFP电池，并且引发NCM 811电池TR所需的能量远小于LFP电池。LFP电池引发TR所需的热量是NCM 811电池的约三倍。 混合电池模块热传递特性:
在NCM 811电池模块中，第二个NCM 811电池吸收约4.4 WJ热量后发生TR。
在混合电池模块中，LFP电池吸收了约9.3 WJ的热量，仍未达到LFP电池的TR触发温度（Fig. 4(d)）。 8L8L配置抑制TRP的原因:
高TR触发温度（T2）: LFP电池的TR触发温度较高。当第一个电池的热传递能量较高时，第二个电池的前表面温度快速上升，但仍远未达到LFP电池的T2。
持续加热效应: 第一个电池的热传递能量逐渐减少，但温度仍高于第二个电池，因此继续对第二个电池加热。由于TR电池的热传递能力有限，LFP电池较高的比热容使其能够吸收更多热量，从而减缓温度上升。 总体结论: LFP电池由于具有较高的T2和较高的比热容，需要吸收大量热量才能达到TR温度点，而单个NCM 811电池无法提供足够的热量引发LFP电池的TR。这种特性使得8L8L配置能够有效抑制TRP的发生。
3.2 8L8L配置的TRP实验结果总结
两个NCM 811电池和两个LFP电池以ABAB配置排列，并用定制夹具固定，预紧力为1N·m。
直径6 mm的钢针用于穿刺第一个NCM 811电池，针速为20 mm/s，穿刺深度为第一个NCM 811电池的厚度。（Fig. 6(b)）
8L8L配置表现出优异的TRP抑制效果。钢针穿透第一个NCM 811电池后，该电池的中心温度急剧升至972.1 ℃，随后迅速下降。第二个LFP电池的内部温度缓慢上升，最高达到134.6 ℃，远未达到触发TR的温度（T2）。 除第一个NCM 811电池电压降至0 V外，其余电池的电压均保持在正常水平。
在0秒时，钢针刺穿第一个NCM 811电池，0.1秒时，从针孔处有少量火花和白烟溅出。
0.3秒时，喷嘴阀打开，喷出火花和白烟。
0.5秒开始，大量高温物质持续喷出并产生大量易燃白烟，1.1秒时，高温火花点燃白烟，形成闪燃，但未持续燃烧。
到7.2秒，线圈核心内部高温物质的喷射结束，白烟继续产生。高温物质和火花的喷射持续了大约6.7秒。整个TR过程持续约283秒。
TR仅发生在第一个NCM 811电池上，其他电池保持完好。
第一个NCM 811电池从前端中心到喷嘴口有一个明显的大裂缝，大量的核心材料从阀口和裂缝中喷出。
第二个LFP电池显著膨胀，可能是由于高温导致其内部电解质分解并产生气体，但未引发TR。
3.3 不同AB配置的TRP特性模拟与能量密度优化
(Fig. 7)
NCM 811电池的能量密度为241.5 Wh/kg，LFP电池为166.4 Wh/kg。
8L8L配置的AB电池组能量密度为202.97 Wh/kg，仅为NCM 811电池系统能量密度的84%。
2. TRP模型的优化探索:
四种配置的TRP特性：88L88、88LL88、888LL888、88888888LL88888。
TRP情况: TRP发生在88L88配置的电池模块中。
温度分布:
第一个和第二个NCM 811电池的最高温度分别为939.3 ℃和979.7 ℃。
后续LFP电池的中心最高温度为575.2 ℃。
第四和第五个NCM 811电池的最高温度分别为989.2 ℃和978.9 ℃。
TRP时间间隔: 71秒、221秒、155秒和34秒。
结论: 单个LFP电池未能完全抑制两个NCM 811电池的TR，但显著延迟了TRP。
TRP情况: 两个LFP电池成功抑制了两个NCM 811电池的TR。
温度分布:
第一个NCM 811电池TR后最高温度达到945.6 ℃。
第二个NCM 811电池在71秒后TR，最高温度为992.7 ℃。
第三个LFP电池在301秒后达到572.9 ℃，但没有TR。
第四个LFP电池的最高温度仅为186.4 ℃，无TR发生。
最后两个NCM 811电池的中心温度分别为101.8 ℃和68.5 ℃。
结论: 中间的两个LFP电池充当了隔热墙，成功抑制了TRP。
TRP抑制效果: 六个NCM 811电池的TRP在两个LFP电池的隔离作用下被抑制。
温度分布:
第二个LFP电池的最高温度分别为195.8 ℃和200.3 ℃，未达到TR触发温度(T2)。
结论: 两个LFP电池可以作为“防火墙”，抑制含有12个NCM 811电池的电池模块中的TRP。
在实际电池使用中，电池通常封闭在电池包内，TR产生的高温烟气可能会影响TRP。 由于现有TRP模型无法模拟高温烟气的影响，随着更多NCM 811电池的加入，模型的参考价值下降。
3.4. AB电池系统的TRP抑制方法 (Fig. 8)
两个LFP电池可以作为“防火墙”抑制TRP。然而，单个LFP电池无法抑制88L88电池模块的TRP。
50 W/(m²·K)对流换热系数下 (Fig. 8(a)):
单个LFP电池成功阻止了前两个NCM 811电池的TR。100 W/(m²·K)对流换热系数下 (Fig. 8(b)):
TRP依然发生，TRP时间分别为78秒、277秒、160秒和40秒。
隔热材料:
TRP未发生，LFP电池的中心温度仅为197.9 ℃。
隔热片厚度为1 mm时 (Fig. 8(c)):
仍然发生TRP，但TRP时间大大延迟。
隔热片厚度增加至1.5 mm时 (Fig. 8(d)):
1. 隔热片由常见的气凝胶材料制成，具有比热容为840 J/(kg·K)，导热系数为0.36 W/(m·K)，密度为354.6 kg/m³。
4. 总结
通过增加对流换热系数至100 W/(m²·K)或使用1.5 mm厚的隔热片，88L88配置的电池模块可以有效抑制TRP。
Fig. 8. TRP suppression of 88L88 configuration battery packs: (a) Convective heat transfer coefficient of 50 W/(m2·K); (b) Convective heat transfer coefficient of 100 W/(m2·K); (c) Thickness of insulation sheet of 1 mm; (d) Thickness of the insulation sheet of 1.5 mm.
3.5. AB电池系统的安全配置选择指南 (Fig. 9, Table 3)
AB电池模块中NCM 811电池和LFP电池的比例应控制在1:1。 增加高能量密度的NCM 811电池数量可能导致TRP的发生。 通过合理的AB电池模块设计，如提高模块的对流换热能力或增加隔热片，可以有效抑制TRP。 有两个LFP电池作为连续的热屏障，含有12个NCM 811电池的AB电池模块将不会发生TRP。
NCM 811电池组能量密度较高，但更容易发生TRP。
LFP电池组具有优异的安全性能，但其能量密度相对较低。
AB混合电池组可以在维持较高能量密度的同时，避免TRP。
相比NCM 811电池模块，LFP电池的能量密度仅为其85.1%。
8L8L配置
单个LFP电池的屏障下可以抑制TRP，但其能量密度比全NCM 811电池模块低15%以上。888888LL888888配置
两个LFP电池的屏障下可以抑制12个NCM 811电池的TRP，其能量密度达到全NCM 811模块的91.9%。
4. 重要结论
8L8L配置的电池组因其高安全性（高T2）和LFP电池卓越的比热容，未发生TRP。
单个LFP电池无法完全阻止含有2个NCM 811电池的电池组（88L88）发生TRP，但增加隔热片可有效抑制TRP的发生。
在包含12个NCM 811电池的电池组（888888LL88888）中，通过将两个LFP电池作为隔热屏障，可以有效抑制TRP，同时实现较高的能量密度。
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