3.1 电池热特性及机械特性

3.1.1 过充热特性研究

（1）研究平台布置

为了有效呈现储能环境中电池热失控特性，在实际储能舱中搭建了电池过充热失控实验平台。如图3-1所示，实验所用的磷酸铁锂电池（图中以模组为例）放置于标准的储能舱中（长12m、宽2.4m、高2.6m）。模组通过连接线与舱外部的电池充电柜连接，同时在模组上方架设红外摄像头和高清可见光摄像头。通过舱外的计算机（充电柜控制终端）远程控制电池充电柜对电池进行充放电。为了保障实验安全，需要将舱内的照明装置替换为防爆灯，同时保证整个实验过程中储能舱门处于虚掩状态。

（2）研究对象

由于储能电站充电倍率普遍小于0.5C，为保持与储能电站运行工况的一致性，本章所有的过充实验均采用0.4C和0.5C两种倍率过充。所用的方形铝壳磷酸铁锂单体电池的额定电压为3.2V，额定容量为86Ah。如图3-2所示，所用模组由32块单体电池四并八串组成。磷酸铁锂电池模组额定电压为25.6V，额定电流为344Ah，额定容量为8.8kWh，宽396mm、深500mm、高256mm。

采用耐高温K型热电偶定点监测磷酸铁锂模组的温度变化，热电偶触头粘贴在被测模组表面中心，通过线路连接到实验舱外的多路温度记录仪主机，实时记录实验过程中表面温度的变化。模组表面的热电偶布置如图3-3所示。

图3-3中，T₁为模组上表面中心的温度；T₂为模组下表面中心的温度；T₃为模组右表面中心的温度；T₄为模组前表面中心的温度；T₅为模组左表面中心的温度；T₆为模组后表面中心的温度。实时监测模组各个位置的温度数据。

（3）实验方案

基于搭建的过充热失控实验平台，使用电池测试仪以0.4C和0.5C两种倍率对满电状态（100%SOC）的磷酸铁锂单体及模组过充电，研究磷酸铁锂单体及模组的热失控行为。全程采用高清摄像头监测单体及模组的热失控现象，此外通过电池热电偶及温度记录仪监测电池及模组表面温度的变化，流程图如图3-4所示。

（4）单体电池过充热失控

首先以0.4C（34.4A）的充电倍率对磷酸铁锂单体电池进行过充直至热失控，关键时刻的可见光截图如图3-5所示。

图3-5a所示为电池初始状态，在电池表面多个位置布置耐高温热电偶，电池开始充电。图3-5b为充电到t=1450s时的电池状态，电池明显鼓包，最大厚度约为初始厚度的两倍，这是由于电池内部剧烈的化学反应产气造成的。图3-5c为t=1512s时的状态，此时安全阀打开，冒出剧烈的浓烟，遮蔽了摄像头视线。图3-5d为t=2100s时的状态，此时电池内部反应已经停止，电池持续散热。由于电池热失控时膨胀作用力，使得部分布置在电池表面的热电偶脱落，并且由于电解液喷出，电池极耳及外表面附着了大量电解液。

磷酸铁锂单体电池在0.5C（43A）的充电倍率过充时，电池过充阶段实验现象和0.4C倍率过充时的实验现象基本一致，此处不再赘述。

磷酸铁锂电池在0.4C、0.5C两种倍率下过充时的表面温度变化曲线及电压变化曲线如图3-6所示，过充时电池温度变化趋势一致，峰值温度分别为159℃、166℃。以0.4C倍率过充时，电池在1660s时温度达到峰值；以0.5C倍率过充时，电池在1512s时温度达到峰值。通过温度变化规律可以发现充电倍率越高，热失控时间越早。磷酸铁锂电池的初始电压为3.2V，过充电过程中电压持续上升，最高电压均为6.5V左右，两次实验中的电压均在电池热失控前下降为0V。通过电压特性以及温度特性的对比可以发现，可以通过监测电压，对热失控进行预警，减少因为电池热失控带来的危害。

（5）模组过充热失控

模组过充热失控实验在0.4C（137.6A）和0.5C（172A）两个充电倍率下进行。首先以0.4C的充电倍率对磷酸铁锂电池模组持续充电直至热失控，实验中关键时间节点的可见光截图如图3-7所示。图3-7a～d为不同时刻模组的状态。由于单体电池间存在不一致性，随着过充电的进行，电池安全阀陆续打开，产出大量白色烟气，烟气充满了电池储能舱。然而，经过一段时间后，电池电压降为0V，无法继续充电，整个过充电过程中未出现明火。

接下来提高充电倍率，以0.5C充电倍率对模组进行过充，整个过程实验现象如图3-8所示。根据图3-8a～c可知，随着模组过充电的持续进行，模组产生大量的烟气。图3-8d显示t=2100s时出现剧烈燃烧的明火。

通过两种不同倍率下的过充热失控现象可知，过充倍率对模组的热失控特性影响较大。在较高倍率过充时，模组产热速率更高，热量积聚迅速，更易发生燃烧起火现象。

图3-9所示为0.4C充电倍率过充时模组下表面和左表面中心的温度监测曲线。可以看出，模组下表面温度（T₂）最高，随着过充电的进行，最高温度达到210℃，其余各监测点温度较低。各监测点温度差异主要是由于模组下表面和热失控的电池直接接触，电池与下表面传热方式为固体传热，传热速率较高。而模组上表面、前表面、左表面与产热的电池无直接接触，热量由传热系数较低的空气传递，所以各监测点的温度明显低于模组下表面的温度。此外，模组上表面温度（T₁）相对较高，其主要原因是内部电池产生高温气体向上喷射，影响到模组上表面的温度。

图3-10所示为0.5C充电倍率过充时模组各表面中心温度监测曲线。T₁～T₆分别对应前文中热电偶的位置的温度，根据温度变化曲线可知产生明火（约2100s）之前，由于模组下表面与过充的电池直接接触，电池下表面温度（T₂）最高。模组产生明火后，模组火焰向上，由于上表面温度（T₁）与火焰直接接触，故上表面温度迅速上升，在100s内温度上升至530℃。受电池燃烧阶段性热辐射的作用，其余各表面温度均在200℃左右。