3.3.3 电池簇热防护

由于电池在0.5C倍率过充时会引发逐级热失控，对储能系统造成严重的损害，因此研究模组热失控防护策略非常重要，可以防止事故的大规模蔓延，降低经济损失。目前对电池热失控的防护主要针对单体电池一级，模组的热失控蔓延策略研究相对较少。

目前锂离子电池的热失控防护措施主要是通过热管理的方式。电池簇内部的模组发生过充燃烧事故时，由于电池簇内热失控的蔓延具有受热面积大、热传递能量高的特点，传统的风冷和液冷等热管理方案无法有效地抑制。本小节通过在模组间加装隔热材料作为隔热板的方式，探索其对模组0.5C倍率过充热蔓延的防护作用。

根据模组在电池簇内部的热失控扩散规律可知，模组间热量主要通过上下间传递，所以将隔热板加装到模组上下表面之间。图3-43所示为COMSOL Mul-tiphysics绘制的电池簇内部加装隔热板位置的示意图。隔热板长500mm、宽356mm、厚20mm，分别以云母板（导热系数0.23W/（m·K））、陶瓷纤维（导热系数0.175W/（m·K））、气凝胶（导热系数0.023W/（m·K））为隔热材料，对模组过充热蔓延进行防护。

图3-43 电池隔热板、模组、电池簇的位置关系

将环境初始温度设为20℃，对流散热系数设为5W/（m2·K），隔热板导热系数为分别设为0.23W/（m·K）、0.175W/（m·K）、0.023W/（m·K）。

对比不同工况下的11号、12号、13号、14号模组温度监测数据如图3-44所示。可以发现，加装隔热板后，模组热蔓延的延迟时间显著增加。隔热材料中云母板的导热系数最高，因此传热性能较好，11号模组发生过充热失控后约160s，12号模组发生热失控现象，随后模组逐级向上热失控；陶瓷纤维的导热性能相对云母板较差，热扩散延迟时间相对增加，模组间的平均热扩散时长约200s；气凝胶导热系数远低于前者，第一个模组发生热失控后，其余各模组的监测温度无明显变化。

图3-44 不同隔热条件下模组热蔓延情况

a）无隔热材料 b）云母板 c）陶瓷纤维 d）气凝胶

不同隔热条件下的电池簇温度云图如图3-45所示。

由温度云图可知，第一个模组热失控是由过充引发，所有工况下第一个模组触发时间一致，电池热失控的触发规律均为由下向上触发热失控；各模组的热失控时间与加装隔热板的导热性能一致性较好，隔热材料的导热性能越差，热失控扩散时间越长；当加装气凝胶隔热板时，不会发生模组热失控的蔓延现象，起到对电池簇安全防护的作用。

图3-45 不同隔热条件下电池簇温度云图对比

由上文仿真结果可知，电池簇内加装气凝胶隔热板可以有效抑制模组的热失控蔓延。为更好地展示隔热板的抑制效果，对加装气凝胶隔热板的电池簇热失控抑制效果进行分析，温度云图如3-46所示。

由图3-46a可以发现，11号模组过充时，模组热量从各个方向扩散，其中模组上表面温度最高，故对12号模型影响最大。图3-46b为t=2160s（最高温度时刻）时的温度云图，图3-46c为11号模组与气凝胶隔热板的温度云图。对比两者可以发现，经过加装隔热板，模组上表面最高温度由500℃左右降低到100℃以内，硅凝胶隔热效果明显。图3-46d、e分别为12号模组以及12号模组内部电池的温度云图，受11号模组的热量传递的影响，12号电池最高温度为73.3℃，最低温度为53.6℃，远低于电化学产热的初始温度（SEI膜分解90℃），12号模组不会发生热失控，模组热失控的蔓延得到有效抑制。

综上所述，加装隔热板可以延迟模组热失控扩散的时间乃至抑制模组热失控的扩散效果。隔热板隔热效果与隔热材料有直接关系，如果隔热材料的导热系数足够小，可以有效阻止模组热失控的蔓延。

图3-46 加装气凝胶隔热材料后的热失控温度云图

a）电池簇 b）11号模组 c）11号模组+隔热板 d）12号模组 e）12号模组内部