苏州宇量动力电池系统的fail-safe设计
内容来源：中国新能源汽车动力电池产业发展报告（2019）
对于电芯，有一个问题我们必须意识到，作为化学体的它们，总会发生起火爆炸，只是条件如何而已。因此，电芯之外的安全设计，所要遵循一个重要前提就是，电芯会发生热失控，如何最大限度的降低热失控后的危害。这就是电池的fail-safe设计。
Fail-safe也一直是苏州宇量电池的一个设计理念，fail-safe是指电池系统中即使有一颗单体发生热失控，也不会影响到系统中其他的电池，最终整个系统仍是安全的。宇量主要从三个方面来进行fail-safe的设计：控制单体电池间的距离、快速排出热量、降低热失控电池的发热量。
1、控制单体电池间的距离
增大热扩散的路径是阻止热扩展的有效方法，这可以从宇量26800型圆柱电池的测试看出该方法的可行性。
上图为实验的测试照片，实验模组由7颗电池单体构成，1颗放置在中心，其他1颗环绕其一周进行排布。电池间的距离通过固定用PP支架的结构设计调节。测试通过触发中心电池的热失控，来观察围绕电池是否会被引发起火爆炸。
测试结果如上图所示，当7颗电池间的距离很小、互相贴紧时，引爆中心电池，环绕电池相继发生了热失控，电池温度最高升至800℃，证明发生了热扩展。然后，电池间距离调节到适当值时，中心电池引爆后，环绕电池的温度均不超过100℃， 即无热失控发生，没有热蔓延。
很明显，通过增加电池间距，增大了热传导的距离，降低了引爆电池高温对相邻电池的影响，这是简易可行的方案，也被实验验证了。但这个方案还有个问题，要考虑到电池系统的体积有限，过大的间距会浪费电池系统内的空间，降低系统的体积能量密度。这对有空间要求的新能源汽车电池影响较大，需要综合考虑。
2、快速排出热量
在电池箱内，电池热失控可以瞬间产生约800℃的高温气体，如果不能及时把这种高温气体和其他电芯隔离并排出，会造成相邻电芯的连锁反应，最终造成严重的安全事故。通过泄压阀的设计可以控制电池内部烟雾喷出的位置和方向，在延续方向增设烟雾的排出通道，可以将喷出物和热量快速排出电池系统，避免热量集聚造成热扩展。
一种可行的烟道设计如下图所示：
烟雾的引流结构布置在模组的两侧，包括烟雾的阻挡、导向、排放设计。当模组上某颗电芯热失控喷出高温气体时，如图中（a）中模组上烟道系统的单向阀打开，使烟雾沿着导向凹槽排出到烟道口，并沿着烟道排出，如（b）。这样，烟雾不会流向其他电池表面，达到了排出高温烟雾、系统快速降温的目的。
3、降低热失控电池的发热量
对于这点，主要是宇量自己开发的功能性隔热层，这种隔热层具有吸收热量并阻止电池燃烧的功能。主要是应用在更高能量密度、更大尺寸电池单体的动力电池系统。
功能性隔热层主要包括两个方面的功能，一是降低热失控的强度，包括降低热失控的温度、灭火、使电池只冒烟不冒火；二是设置热扩展的屏障，高效隔热。基于的理念如下：
测试中，使用5颗方形VDA-2714897电池单体做成的简单模组，每颗电池单体的容量均为50Ah，且处于100 SOC%状态。如下图所示：
相邻电池间使用隔热层隔开，将螺纹钉放在模组中间电池防爆阀的正上方，并把电池装入反应箱体内，使用10kg重的铁锤垂直降落砸向螺纹钉，引发中间电池的内短路，继而热失控。每颗电池表面都贴有测温热电偶，记录测试过程中电池表面温度的变化。结果如下图所示：
对比测试中，使用普通隔热层时，螺纹钉刺穿电池后，先是冒烟然后马上有明火喷出，相邻的两颗电池也在2min后被引爆。电池表面温度最高达到了800℃，相邻电池的引爆证明了热扩展的发生。
而使用功能性隔热层的实验中，螺纹钉刺穿电池引起热失控后，尽管引爆电池的表面温度也快速升高至600℃，但是反应箱体内只冒烟不冒火，而且经过十几分钟的记录，相邻电池表面的温度仍在100℃以下，没有发生热失控，即没有发生热扩展，实现了fail-safe功能。
另一个值得注意的现象是引爆炸后，使用普通隔热层时引爆电池的铝壳明显熔化，露出了内部卷芯，如下图；而使用功能性隔热层的引爆电池的铝壳仍然保持完整，这证明了功能性隔热层的降温功能。
综上可以看出，这个功能性隔热层具有显著的降温、阻燃、隔热功能，可以有效地避免了引爆电池的热扩展，在测试期间，实现了50Ah级别单体组成的电池系统的Fail-safe功能
BACKUP DATA
要想做好热失控防护，还是要归结到热失控的机理上，这里将报告中的热失控致因、机理和防护措施汇总如下图所示，fail-safe即属于阻断热失控这个环节。为了更好阅读效果，可点击图片，放大查看。
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