研究整包热失控实验是很贵的，整包样件的费用、配置探测电压、温度实验设备都是一笔不菲的开支，特别是大容量电芯和模组样件（淘宝上有些）还不太好买；所以很多研究者主要以 18650&21700 的案例为主。最近有个很有意思的案例，是清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的 Shang Gao，在《Experimental Study on Module-to-Module Thermal Runaway-Propagation in a Battery Pack 》一文里面披露了一个实验包和部分实验数据，我们来仔细看一看这个里面的数据和现象。
备注：我把文章里面的温度和事件参数抽出来做了整理，可参见原文仔细读一读
01
热失控实验对象
参数和试验搭建
这个电池包是一项联合研究，由车企所提供，整个配置为 13kWh，成组为 96S1P，采用 8 个 VDA 的 PHEV2 的模组，布置时候采用双层结构，上下两层各 4 个模组。
热量
这个测试的目的，是希望在底下的一层选一个激发单电芯热失控模组，然后仔细分析评估左右和整包的热失控的过程。如下图所示，这里面加入了温度传感器，并且模组的压力是变小了，只用外部的简易固定装置来处理。实际的电池模组的压力和约束，会在电芯膨胀的时候产生不小的影响，这里会有一个实验搭建带来的差异点。
在这个 PHEV 的电池系统里面所选择的模组为标记为 DUT，我们观察的对象是模组的左侧模组和上层模组，右侧由于有一根梁做了一些物理上的隔断，整体的蔓延过程相对慢一些。电池系统整个实验过程可以分为，一开始主要是在选择的 DUT 的模组内进行热蔓延，持续时间大约 40 分钟，然后在接下来的 10 分钟左右，左侧相邻和上方的模组开始出现很快的热蔓延，最后扩展为整个电池系统的燃烧。
02
单个模组内的热失控
基本过程
之前冯博做了很多的工作，也对这个过程建立了比较详细的模型和机理的分析，这里只是进一步描述一些现象。DUT 模组内各个电芯热失控的规律，我重新做了整理：黄色线是模组相邻被激发电芯的温度，灰色线是没有热失控前的温度，蓝色的线是电芯相继出现热失控的间隔时间。也就是说，实际在热失控过程中一旦开阀以后，电池表面温度在 400°C 到 550°C 之间，平均温度 495°C；电芯表面温度在 100°C 到 200°C 之间，平均温度 144°C，会发生热失控。这里的模组里面每个电芯之间是加了隔热材料的，如下所示，所以整体的结果是在 60 分钟以后传递到第二个模组
备注：这个表面温度其实有些不准确，后面会分析的
03
相邻模组的热失控传播
热失控
上方的第二个模组是在 66 分钟以后出现连锁的热失控的情况，第三个模组 68 分钟以后出现问题，而这一次在高温烘烤下，模组的热失控的过程都在 10 分钟完成了。如下图所示，在一定条件下整个热失控的过程是无序的，下方喷阀火焰直接对上方的水冷板进行了烘烤备注：我们可以看到环境温度其实对模组内电芯热失控有影响，而直接的火焰和烟气如果处理不善，哪怕有水冷板最终的结果也会使得电芯热失控
三个模组内的相邻触发事件差异
我们可以看到这个温度点差异是有的，特别是有以下的一些考虑：
相邻模组：相邻模组的速度，由于有模组间直接相连的母线排连接，使得这一组的电芯表面温度很低就直接开阀了，甚至温度还没到我们预期的温度
双层模组设计即使通过支架和水冷板隔开，如果喷阀过程没有考虑过隔热设计，这一个个电芯开阀的温度就直接对着金属支撑结构和水冷板喷火，最终的结果是吸收大量的热量，并且很均匀，使得表面温度不高的情况下，也会很早开阀
三个模组的传播过程概览
这个是抓出来的温度突变点，也就是电芯的表面热失控之前的那一刻的温度情况。总的来说，NCM111 的耐温性还是很好的，523 要打折，811 则更要打折了。所以实际上，我们如果想用模组的温度传感器抓住这个温度的变化，有一些困难，设计的 NTC 在这个过程中由于烟气的原因，要么响应不及时，要么那时候已经损坏了，要仔细考虑 NTC 在这种破坏性的条件下怎么处理，我觉得可能的办法，可能是建立一些类似感温线这样的特殊选型的 NTC 来应对这个特殊温度的采集，这个之前我也提过。
三个模组内的热失控温度点
小结：我们在这类 37Ah（164Wh/kg 且容量有限，并且是 1P 的使用）的经典的设计中通过合理的布局，是完全可以控制住整个热失控蔓延的过程，但是我们发展的方向是追求能量密度，追求体积利用率，这就带来我们会失去足够的间隙，失去足够的缓冲空间，这里还是一个平衡，如何在一个范围内使得电芯不蔓延。
作者：朱玉龙
