摘要簡介 Structurally compact battery packs significantly improve the driving range of electric vehicles.Technologies like Cell-to-Pack increase energy density by 15%–20%. However, the safety implications of multiple tightly-packed battery cells still require in-depth research. This paper studies thermal runaway propagation behavior in a Cell-to-Pack system and assesses propagation speed relative to other systems. The investigation includes temperature response, extent of battery damage, pack structure deformation, chemical analysis of debris, and other considerations. Results suggest three typical patterns for the thermal runaway propagation process: ordered, disordered, and synchronous. The synchronous propagation pattern displayed the most severe damage, indicating energy release is the largest under the synchronous pattern. This study identifies battery deformation patterns, chemical characteristics of debris, and other observed factors that can both be applied to identify the cause of thermal runaway during accident investigations and help promote safer designs of large battery packs used in large-scale electric energy storage systems. 背景介紹 為解決純電動汽車的續航里程焦慮問題，需要提高車載動力電池系統的能量密度。在模組和電池包層面，傳統的電芯—電池模組—電池包的系統集成結構方式逐漸向無模組（Cell-to-Pack，CTP）結構轉變。采用CTP設計思路將電芯以陣列的方式直接裝到電池包殼體內，省略了將電芯組成模組的結構，可以使電池包的零部件大幅度減少，進而提升電池包體積利用率。動力電池的去模組化對提升電池包能量密度以及降低成本有積極的作用，有助于車企和電池企業降低制造成本，有望成為未來動力電池技術的主流之一。 2019年9月26日，由北汽新能源與寧德時代攜手打造的全球首款CTP電池包在中國藍谷正式發布。采用全新CTP技術的無模組電池包，相較于目前市場上的傳統電池包，體積利用率提高了15%-20%，零部件數量減少40%，生產效率提升了50%，投入應用后大幅降低了動力電池的制造成本。在能量密度上，傳統的電池包能量密度平均為140-150Wh?kg-1，而CTP電池包能量密度可達到200Wh?kg-1以上。開展CTP熱失控蔓延實驗可以為整包級熱失控蔓延模型的搭建、標定及事故調查提供數據支撐。目前，尚未對CTP系統的熱失控蔓延特征開展系列研究。 實驗設計 CTP電池包熱失控蔓延實驗需要研究熱失控蔓延特性、煙氣流動規律、電池包內空氣域溫度變化規律，因此基于單排模組和雙排模組的測試結果在電池側面、液冷板、頂蓋內外、空氣域等位置共布置K型熱電偶118個，煙氣傳感器4個、VOC傳感器12個；傳感器編號與分布如圖1、2所示。為了減少高溫導致的傳感器連接線損壞，對傳感器連接線作了耐高溫處理。為了為新能源汽車事故調查提供數據支撐，還對電池包熱失控過程中的噴發顆粒物的理化特性開展了研究，主要測試手段如圖3所示。 圖1 CTP電池系統參數 圖2 CTP電池包傳感器布置 結果與討論 4.1熱失控傳播特性 圖4 CTP電池包熱失控蔓延特性 圖5 CTP電池包熱失控蔓延路徑 4.2煙氣流動規律 圖6 CTP電池包熱失控氣體擴散規律 4.3電池包內部溫度響應 整個實驗過程中，采集了M1~M3模組區域溫度、M4模組噴發口上方液冷板底面溫度、電池包箱蓋內外溫度、電池包之間的空隙處，溫度曲線如圖7所示。CTP電池包在整個熱失控蔓延過程中，M1~M3模組未觸發熱失控。電池模組側面溫度曲線顯示，在整個熱失控過程中，如果不考慮火焰導致的瞬間高溫，整個模組溫度介于90℃~170℃之間。其中，M1模組溫度介于23℃~131℃之間，三個模組側面溫度上升階段對應著同步蔓延及具有明火的穩定燃燒階段。由此可以看出，CTP電池包M4-M5模組和M1-M2-M3模組中間的空氣阻隔具有一定的熱失控蔓延阻斷作用。電池包內外頂蓋及內部各個節點溫度特征顯示，同步蔓延出現之前，電池頂蓋內最高溫度始終低于300℃，同步蔓延之后，溫度介于300℃~700℃之間。電池包內空氣域高溫集中在BMS上方區域（圖中的紅色陰影區域）。該區域設計為凸起形狀，最容易積累熱煙氣，實驗視頻中可以看到，在熱失控蔓延實驗過程中該區域最先破開，因此在進行CTP電池包的熱失控蔓延防控時，該區域要作為重點防護區域。 圖7 CTP電池包熱失控蔓延的內部溫度變化規律 4.4煙火時序特征 如圖8所示，電池發生熱失控，釋放的氣體導致電池包內壓力升高，當電池包內部壓力超過20kPa~40kPa時，泄壓閥開閥排氣；隨著失控氣體及高溫顆粒物流動，電池失控的噴發物質在M4模組與M1模組中間的BMS區域聚集，高溫煙氣導致此處外殼破損，大量的黑煙從破損處噴射出來。M4模組中的電池在側向傳熱及熱煙氣的耦合作用下，依次發生熱失控，隨著電池側面及熱煙氣對鄰近橫排模組的加熱，在順序蔓延第6節電池后，同步蔓延發生。同步蔓延過程中，7節電池在10s內全部發生熱失控。在同步蔓延后期，電池包失控氣體的形態發生變化，逐漸由濃黑的煙氣向白色煙霧轉變，并出現“白煙—黑煙—白煙"交替出現的現象。隨后，在觸發位置發生爆燃，可見帶壓射流明火從觸發位置噴射出來。這里可以推斷，電池包出現明火的前兆是“黑煙白煙霧交替"出現，消防救援人員在觀察這一情景時，應根據現場情況，靈活調整技戰術或者主動撤退，最大限度的避免傷亡事件發生。 圖8 CTP電池包熱失控蔓延煙火時序 4.5質量損失及形變 圖9 CTP電池包的熱失控蔓延質量損失情況 圖10 CTP電池包熱失控蔓延形變規律 4.6噴發顆粒物理化特性 結論 本文研究了全球第一代CTP電池包的熱失控蔓延特性。分析了CTP電池包的熱失控蔓延過程中的溫度響應、氣體擴散、蔓延規律、質量損失及形變、煙火時序等，同時采用多種理化分析手段，定性與定量分析了噴發顆粒物的理化特性。得出以下主要結論。 (1) CTP電池包熱失控蔓延主要有三種主要模式，分別是順序蔓延、同步蔓延和亂序蔓延；同步蔓延對電池造成的損害比其他蔓延行為嚴重。 (2) CTP上下模組之間的液冷板及云母片無法抑制熱失控縱向傳播；而增大模組與模組之間的空氣域則有助于防止模塊間蔓延。 (3) 熱失控蔓延過程中形變凸起的方向指向最先失控的電池，同步傳播導致電池損壞和質量損失更加嚴重，電池形變凸起規律不明顯。 (4）CTP熱失控蔓延過程中，電池包內部未觸發熱失控區域的溫度介于90～170℃之間。電池包出現明火的時間為首節電池觸發熱失控45mins后。 (5) 根據熱失控噴發顆粒物元素價態變化的敏感性，對電池組成材料中的元素進行分類，其中敏感元素包含Al、C、F、Mn、Ni和P，不敏感的元素是Co、Cu、S、Li和P。 更多詳細完整內容請參閱原文，原文下載和引用： H. Wang, Q. Wang, Z. Zhao, C. Jin, C. Xu, W. Huang, Z. Yuan, S. Wang, Y. Li, Y. Zhao, J. Sun, X. Feng, Thermal runaway propagation behavior of the Cell-to-Pack battery system, J. Energy Chem. 84 (2023) 162–172. DOI：10.1016/j.jechem.2023.05.015 作者簡介 第一作者 通訊作者
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