欧阳明高院士课题组针对面向电动汽车动力电池CTC（Cell to Chassis）系统热蔓延抑制的电池包优化设计技术开展了研究。研究成果在eTransportation第14期发表，题为《No thermal runaway propagation optimization design of battery arrangement for cell-to-chassis technology》。
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背景介绍
近年来，电动汽车产量销量逐年提高，续驶里程也逐年提高，里程焦虑问题有所缓解，这得益于高比能电池技术的快速发展，电池单体由10年前的20Ah/节逐渐增大到最大150Ah/节。在电池系统设计方面，cell-to-pack （CTP）技术摒弃了模组结构，转而将电池单体用结构胶或者扎带固定在pack中，使得零部件数量减少约40%，以及系统比能量提升约15%~20%[1]。诸如宁德时代的CTP电池包和比亚迪的刀片电池包均采用这种思路进行电池包的设计[2]。当然，对于刀片电池系统还叠加了铁锂电池单体的结构优化设计。目前阶段，结构设计所带来的系统比能量的提升，要比化学体系改进带来的比能量的提升要多，约占2/3。下一代的cell-to-chassis（CTC）技术则直接将电池集成到底盘框架内。那么如何在兼顾安全性和系统体积能量密度的基础上实现一体化集成技术，是一项具有挑战的任务[3]。未来CTC技术的发展将会继续提升电池系统的集成化和体积利用率，也为电池拓扑结构设计带来了发展空间。本文提出了一种基于CTC框架的电池拓扑结构优化构型，利用一节电池同时和多节电池同时接触的特点，可以实现对热失控电池的同时散热，又不至于导致热蔓延的发生。
图1 电池系统的结构创新和发展趋势
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实验和建模
选用40Ah三元方壳电池，开展内置热电偶实验，以及侧向加热触发的热蔓延实验，获取每一节电芯的内部温度数据，并基于COMSOL仿真软件对固体传热进行建模[4,5]。利用ARC测试得到的电池在绝热状态下热失控过程的温度-温升速率数据，并输入到三维热蔓延模型中，设置电池-卷芯、电池-电池以及加热器-电池等多个热阻层，利用实验数据标定精确的热阻层参数，并依据固体传热模型开展电池拓扑结构优化构型仿真研究。
图2 实验设置和建模参数
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结果与讨论
首先，我们将块状加热器替换成了针状加热器，用来在模型中快速触发一节电池热失控，以便排除块状加热器引入过多的热量而对热蔓延过程产生影响，除此之外后续的仿真模型也都完全继承了初始模型的参数。
扩展的9节单体的直列模组发生了顺序热蔓延，除了第一次热蔓延用时194s以外，后续的7次蔓延时间均为130s左右，整体的平均热蔓延时间为134s。其中，在首次蔓延过程中，电池1共向电池2传热7.5e4J，峰值的热通量功率为534W。后面我们会发现，总传热量和峰值热通量功率是决定热蔓延发生与否的两个重要参数。
图3 扩展的直列模组仿真结果
提出了一种，顶视为砖砌结构的电池模组拓扑构型，这种构型具有以下特点：一节电池同时与多节电池接触，已失控电池可以同时向多节电池传热，且临近电池的大面只有50%的面积可以受到已失控电池的传热。砖砌构型模型仿真结果没有发生热蔓延，电池2热失控之后，在相同的194s之内向电池4和电池5共传热4.0e4J能量，峰值热通量功率只有258W。且还分别向电池1和电池3传热1.7e4J能量，峰值热通量功率约为110W。电池4和电池5内部最高温度为105℃，略高于自产热温度T1，但在持续散热状态下，最终温度逐渐下降且没有发生热蔓延。
图 4 砖砌模组仿真结果
当我们认为是已失控电池向多节电池传递热量从而使得砖砌构型可以做到抑制热蔓延，那么实际上就忽略了降低峰值热通量功率的作用。为此，我们开展了，中间电池触发热失控的直列模组模型仿真，电池5触发热失控后，发生了热蔓延。电池4首先发生了热失控，蔓延时间为241s，紧接着电池6也发生了热蔓延。在这个过程中，约有8.7e4J的能量被从电池5传递到电池4以及电池6上，峰值的热流功率为523W，略低于直列模组的结果。由此可见，只增大已失控电池的散热，并不能够抑制热蔓延，因为对于被传热电池而言，峰值热通量功率依然太高，需要降低对未失控电芯的峰值热通量功率以及提高已失控电芯的散热量才能实现热蔓延的抑制[7]。
图 5 中间电池触发热失控的直列模组仿真结果
开展了真实模组的热蔓延抑制验证实验，在真实的砖砌模组中，电池2被针刺触发热失控，其前表面最高温度为490℃，后表面最高温度为400℃，电池4及电池5的前表面最高温度均超过200摄氏度，且在整个观察期间，电压均有细微程度的下降，以及实验结束后均观察到轻微的鼓包。验证实验成功证明了砖砌构型抑制热蔓延的可实现性。
图6 真实模组的砖砌构型热蔓延抑制验证实验
继续对砖砌构型进行了体积上的优化，找到一个既能热蔓延以及，不过度降低体积比能量的平衡点。对于改款电池，我们发现当大面面积比为7:13时是一个热蔓延抑制的平衡点，当继续降低这一比例的时候则会导致热蔓延的发生。对于成功抑制的仿真结果，在1200s的传热时间段内，热失控电池2向电池5的传热量达到1.4e5J，峰值热通量功率为337W，这并不意味着电池5内部热量增加了这么多，因为电池5也会持续向电池6、电池8和电池9传热以及持续散热。对于另一个没有成功抑制热蔓延的仿真案例，第一次热蔓延发生在580s左右，传热量达到1.07e5J，峰值热通量功率为371W。后续电池的热失控顺序则由他们被引入的能量的多少而决定，热失控的顺序依次为电池8→电池4→电池1→电池7、3、9→电池6。电池8热失控发生的比电池4还快，是因为电池5吸收了来自电池2的热量之后，同样也将大量热量传递给了电池8，而当电池5发生热失控后，引起电池8的热失控所需的热量积累过程就被大大缩短了，所以造成了电池8的快速热失控。
图 7 砖砌构型的优化设计
最后，我们用一个40.05L的框架来分别以直列模组构型和砖砌构型来排布电芯，直列模组构型排布了87节电池，比优化的砖砌构型多了2节电池，因此砖砌构型在体积比能量计算上下降了约3%。但如果长度方向上能够尽可能多的排布电池，则砖砌构型引起的体积比能量的下降就会更不显著，所以一个明显的趋势是将砖砌构型设计成长条状可以进一步避免降低体积比能量，同时又保证了安全性。
图 8 直列模组与砖砌构型在相同底盘框架内的体积比能量对比
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结论与讨论
结构设计能否提升电池系统的安全性？答案是肯定的，本文通过砖砌构型的模组拓扑结构优化设计，在不大幅度牺牲体积比能量的前提下，实现了热蔓延的抑制。平均与失控电池的大面接触面积可以降低对未失控电池的峰值热通量功率，以及多节电池的同时接触有助于将已失控电池的热量快速散掉，避免了单节或少数电芯的热量累积引起的热蔓延。砖砌构型是对方壳电池系统安全设计的一次尝试。对于其他类型的电池，系统安全设计还需同样需要考虑如何降低已失控电池与普通电池之间的传热量和峰值热流功率。此外，由于高温烟雾/气体的能量流动在本文中没有考虑，但并非不重要。实际使用过程中，如何解决热聚集问题也是热管理方面面临的一个考验。
注*本文对原文略有删简以方便阅读，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.etran.2022.100199
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