锂离子动力电池作为新能源汽车的主流动力源，是由成百上千个单体电池串并后高度集成于有限空间内以提高电池系统的能量密度。然而，电池组内单体电池意外发生热失控时极易将热量迅速传递给周边电池，引起电池系统整体发生热失控，酿成事故，可见阻隔热失控蔓延对保障电池安全至关重要。本文基于蛇形波纹管液冷式热管理系统，以型动力电池组为研究对象，探讨对目标电池加热诱发其热失控时，采用冷却措施对电池组内热失控传播的有效性。结果表明，在未采取任何冷却措施的情况下，目标电池发生热失控后迅速蔓延至整个电池模组，导致整个模组发生热失控；而在相同滥用环境下，采用液冷措施的实验中，目标电池被加热后出现长达一个小时的温度平台，未发生热失控，通过增大加热功率加速其发生热失控后，周围电池均未发生热失控蔓延。这表明液冷式热管理系统能够及时带走电池反应产生的热量，从而延长了从电池材料开始发生放热副反应到热失控之间的时间，并减少热失控电池对周围电池传播的热量，避免了热蔓延的发生。
关键词：锂离子电池；液冷；热管理系统；热失控
0引言锂离子动力电池具有高电压、高比能量、长循环寿命等优越性能，是新能源汽车的主流动力源[1]。尽管锂离子电池自身有温度系数热敏电阻(positivetemperaturecoefficient，PTC)在温度升高电阻剧增时主动切断电流或电流切断装置(currentinterruptdevice，CID)等保护措施，但在极端工况或失效时，锂离子电池的热失控仍难以避免。电池的热失控行为对公众的财产和生命安全造成了严重损失[2-3]。
大多数新能源汽车为了满足能量的需求，其动力电池系统均由一定数量的小容量电池经过各种连接方式焊接成组，并紧密贴合以减少占用的体积，从而提高电池系统的体积能量密度。所以，当存在电池发生热失控时，其产生的热量极易传递至邻近的电池，引发周围的电池发生失控，产生连锁反应，最终导致大规模的电池组发生热失控，造成更加严重的危害[4-5]。因此，若能够及时采取合理热管理手段干预热量的传递，从而抑制热失控蔓延的发生，可将其危害性大幅度地降低[6]。
本文基于多通道蛇形波纹管液冷式热管理系统，以锂离子电池组成的动力电池模组为热管理对象，探究电池处于热滥用状况下，采用液体冷却热管理手段对其热失控行为以及热失控传播的影响。
1实验系统1.1热管理系统
图1为基于蛇形波纹管的电池组液冷式热管理系统，该系统由水-风冷换热器、水泵、流量计、水箱以及带有蛇形波纹冷却通道的电池模组组成，以蒸馏水作为冷却液。本实验所使用的单体电池为BAK公司生产的商用锂离子电池，标称容量为mA·h，电池阳极材料为石墨，阴极材料为镍钴铝(NCA)。电池模组由金属镍片将10个单体圆柱形锂离子电池采用并联方式焊接而成并保证电池之间紧密接触。在液冷实验中如图2所示，蛇形冷却板与电池模组外测紧密贴合，并在每个电池外壁面和蛇形管道接触面之间均匀涂抹导热硅脂以减小接触热阻，确保每个电池与冷却板之间有相同的接触面积。
图1基于蛇形波纹管的液冷式电池热管理系统
蛇形波纹管道的弯折角度、弯折角处的曲率以及冷却液流速等对循环冷却水所需的能耗、换热量、换热效率等均存在不同程度的影响。Karale等[18]研究发现蛇形波纹管道弯角处曲率的变化对传热的影响不大，但是光滑弯管比尖锐直管(曲率为0)具有更好的换热效率，并且循环冷却水的能耗也较低；Zhao等[19]发现通过改变弯折角度即增大接触角能够加大接触面积，从而增强对电池的冷却效果，但是当接触角超过33°后，电池模组的最高温度不再有明显降低，最大温差反而增加；
同样增大流速可以强化换热，但是在流速减小的条件下，能够通过增大弯折角来达到同样的换热效果；然而，无论是增大弯折角还是增大流速都会在一定程度上增加所需能耗。基于上述研究，本文采用的蛇形波纹管如图1～2所示，采用电池半径作为管道弯折处的曲率半径，以实现与电池的良好贴合，同时权衡冷却效率的影响，选用接触角度为33°。
图2(a)电池排列分布及热电偶布置示意图；(b)电加热器结构示意图；(c)蛇形波纹管道结构示意图
在实验过程中，为了避免电加热器接触到目标电池以外其他电池而产生误差，设计并加工如图2(b)所示的电加热器，该电加热器由铜制的导热块和铝合金制的电加热棒两部分组合而成，两者之间灌充导热硅胶以实现紧密贴合，减少接触热阻。其电加热棒的内阻为Ω，加热棒通过导线与接触式变压器(TDG)相连接，实验所采用的加热电压为V。同时，在实验过程中仅连接一根电加热棒作为加热源，将另一根作为备用加热棒。在每一组实验中的每个电池模组均采取相同的排列顺序进行焊接，各个电池的编号如图2(a)所示，在每组实验中将10号电池作为目标加热电池。
电池充放电由亚科源BTS---2电池循环测试装置控制及实现。使用K型热电偶测量电池表面及环境温度，存在ΔTi=±0.3℃的误差，电池表面温度测试点布置如图2所示。热电偶及差压传感器与KEYSIGHTA数据采集装置相连接，每1s采集并存储一次。流量计为DK--6F型液体流量计，最小流量为16L/h，分辨率为8L/h。
1.2实验操作
在实验前，每一电池组均由充放电仪以0.2C倍率充电至75%SOC后，断开充放电设备。实验过程中，电池模组不进行充放电。
由于电池发生热失控时，存在电解液喷射和爆炸起火等现象，因此电池和蛇形冷却管被放置在恒温防爆箱体(如图1所示)内完成实验。防爆箱内的温度由防爆箱的空调系统控制，换热器置于室内环境中工作，由空调机组来实现环境温度控制。实验共分为两个组，一组为是未采取冷却措施时，进行的电池热滥用实验。另一组为采用蛇形冷却板并开启冷却水循环时的热滥用实验，每组实验重复两次。在第一组实验过程中，将电池放置箱内后，设定防爆箱内温度为T01=25℃，并使环境温度维持在T0=(25±1)℃内。待环境和箱体内温度及电池温度稳定在目标值后，关闭箱体内的空调系统避免内部空调系统冷风的影响，再将变压器压力值调至V后打开电加热器对电池进行加热，加热至观察到目标电池喷射火焰(即发生热失控)后停止加热。
在另一组实验中，在开启电加热器前，先运行水泵使冷却水开始循环，调节流量计待流速稳定在96L/h时，开启换热器，设定好箱体和环境温度后，待冷却水温度和流量稳定时，关闭箱内的空调系统，开启电加热器。
2结果与讨论图3为第一组实验过程中所有电池随时间变化的温度曲线。如图所示，10号电池由于受到外部热源的持续加热，温度明显升高，相邻的1号、2号、8号、9号电池也发生较为明显的温升；其余电池由于距离热源远，且受到电池自身比热容等影响，大部分传递过来的热量均被前面的电池所吸收，从而受到的影响较小。在持续加热大约t=s后10号电池发生热失控，此时尽管切断了外部热源的输入，但由于存在自身反应放热，其温度迅速升高，其最高温度可达到T10=℃。
此时，由于10号电池与相邻电池之间存在巨大的温度梯度，从而驱动了热量传递，导致1号和9号电池的温度在短时间内迅速上升。因为一开始所监测到的温度仅为电池的表面温度，并不能反映电池的真实温度，所以二者并未马上发生热失控。但是在没有冷却措施的情况下，电池的散热环境恶劣、热量堆积，所以经过一段时间的热量传递后，电池内部温度升高、内部放热反应加剧，电池急剧升温从而发生热失控。同时，其余的电池也由于受到相邻电池大量热失控导致的热量传递，在很短的时间内接续发生热失控。因此，当存在单个电池发生热失控时，在没有采取任何热管理手段的情况下，其热失控行为容易影响到周围电池，产生连锁反应，导致情况的进一步恶化。
图3未采取冷却措施时1～10号电池的温度变化
图4为第二组实验过程中所有电池随时间变化的温度曲线。与第一组实验相比，在相同的加热功率下，第二组实验中10号电池的温升速率相比于第一组实验有明显的减小。在加热时间t约1s时，目标电池温度缓慢升高至T10=℃，并在相当长的一段时间内温度在℃上下波动。同样，其余电池也出现了与10号电池相似的温度平台(平台温度：T1=56℃，T2=33℃，T3=27℃，T4=25℃，T5=25℃，T6=25℃，T7=33℃，T8=25℃，T9=45℃)。
两组实验均采用相同的加热功率，但加了冷却水之后，在相同的加热时间下，第二组实验中，10号电池的温度仅为℃。表明冷却水对处于热滥用状态下的电池具有明显的冷却效果，能够及时地带走热量，从而控制电池温度的进一步升高。因此，结果表明在相同加热功率和加热时间内，液冷热管理系统能有效抑制在热滥用情况下电池的温升，从而延缓电池热失控的发生。
图4采取液体冷却时1～10号电池的温度变化(实验进行约一个小时后，加热器电压由V增加至V)
图5为1号、5号和9号电池在10号电池邻近热失控触发点前与10号电池之间的温差值?T，其中与未通冷却水的各个电池的温差相比，采取冷却水进行冷却的各电池的温差?T1、?T5和?T10普遍较低，说明热管理系统有助于减小电池之间温度的差异性。同时，当电池之间的温差较小时，相同物体之间传递的热量减少，说明采取液体冷却热管理措施有助于减少热量向周围电池传播，避免其温度过高。
图51号、5号及9号电池与10号电池的温差随时间变化图
为了进一步探究水冷对热失控蔓延的影响，在实验进行约1h后，通过加大功率加剧热失控的发生，将电压增大至V持续加热直至观察到火焰。在10号电池发生热失控时，与其紧挨着的1号电池和9号电池温度也急剧上升，最高温度分别达到T1=.29℃及T9=.8℃，由于此时的温度也仅为电池表面温度，且维持时间短暂，热量尚未传到电池内部就已被冷却水带走，抑制了热量的传播，并未发生热失控蔓延。
图6为两组实验的电池包在实验结束后的照片，可以直观地看出，在未通冷却水的情况下，所有的电池均因热失控而受到十分严重的损伤，而在采用冷却水进行冷却的实验中，除了被加热的电池及邻近电池正极处有部分外壳被火焰烧掉的痕迹外，其余部分的电池基本完好。因此，该热管理系统不仅具备延缓热失控的能力，当电池发生热失控时，该系统也能够阻隔热量在电池之间的传递，避免其他电池受到影响。在重复实验中，由于电池个体的偏差，目标电池所处的温度平台不同，但是液冷系统对电池温升和热蔓延的抑制效果相同，其结果具备可重复性。
图6热失控实验后各电池组实物图：(a)第一组实验；(b)第二组实验
3结论本文探究基于蛇形波纹管液体冷却热管理系统，对商业生产的锂离子电池组进行了热失控实验，以阐明液冷系统对热行为和传播可能性的影响。通过实验结果可以得到：
（1）在未采取任何热管理手段时，电池之间的热失控传播十分迅速，波及范围广，单个电池的热失控影响能够传递至所有电池处。
（2）当电池处于恶劣的热滥用情况下，采用循环冷却水的冷板对其进行冷却时，能够有效地缓解热滥用对电池的伤害，延迟甚至避免电池发生热失控。
（3）当某一电池发生热失控时，该热管理系统能够有效地阻隔电池热失控过程热量的传递，避免了热失控的蔓延。
结果表明，该系统具备一定的阻止热失控传播的能力，对热管理系统的设计具有一定的指导意义。