熱模擬分析在鋰電池安全性的應用

刊登日期:2017/3/5
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在電動載具的應用裡,為了維護車載人員的生命財產,評估電池與電池模組的安全性在車用電池模組裡相當重要。由於電池材料多元化,電池內部材料系統的資料難以取得,本文利用一般簡單的單電池量測資料,例如充、放電的電壓電流與溫度變化等,搭配單電池熱測試的實驗數據後,由單電池的預測,經由計算方法,推展到全模組的安全性評估,使模組安全性評估得以簡單並快速進行。
 
電池安全性預測
電池的安全評估,一般皆採用通過國際安全可靠性測試規範為依據,例如UL 1642、IEC 62660-2、UNT 38.3等,而規範是以單電池或模組使用過充、過放電、針刺、擠壓、短路等方法做實際的安全測試,而這些測試方法所觀測之電池安全的重點皆是電池熱的發展,是否造成熱爆衝而引起嚴重之安全問題。
 
在單電池安全性測試中,最嚴苛的狀況是包含針刺與過充這兩種測試,若要推估模組安全性的熱蔓延(Thermal Propagation)狀況,可將這兩種模式的單電池熱發展置入模組中進行熱分析運算。以18650電池的3D結構來說,由於罐體相當薄且為金屬材料,其熱傳遠大於內部極卷的熱傳速率,為了簡化計算,電池整體可視為一種極卷性質的均勻材料,在建立3D結構中可以直接當成一整體來處理,如圖一所示。熱蔓延是考慮多電池狀況,因此至少是兩電池的串聯或並聯。圖二是建構雙電池系統的3D結構,電池與電池間的空隙是1 mm左右。為了得到熱蔓延的相互關係,燒毀電池是為熱源,而遭受熱源加熱的電池為遭受熱蔓延的電池。

圖六為18650電池在150˚C與200˚C烘箱中持溫的測試圖。基於隔離膜的撐持能力(160~170˚C左右)、自升溫速率以及安全係數的設定,採用較低的溫度來設定安全點檢查,在計算中電池較穩定的起始溫度檢查點大約設定於150˚C左右即可。



圖六、18650電池在(a)150˚C;(b)200˚C的熱箱測試圖
圖六、18650電池在(a)150˚C;(b)200˚C的熱箱測試圖

電池模組的安全性熱分析與熱蔓延問題的解決方案
在電池組的防延燒設計中,第一步驟為控制單電池的熱暴走,若單電池在發生問題時產生的溫升不高,對相鄰電池的影響較小,則電池組可維持在安全狀態,這部分有相當多的技術正在開發與進行中。例如STOBA材料運用、熱阻層(HRL)隔膜或安全極板塗佈設計等。第二步驟則為若一旦電池發生熱暴走,甚至單電池內部的安全機制亦失效時,電池模組內具有特殊的機制來防止熱的蔓延,以避免電池模組產生熱暴走的連鎖反應。為瞭解模組內熱蔓延狀況是如何發展的,可以將電池安全預估的計算運作至模組內。以9顆18650電池模組裝置為例,若採用GB/T 31485針刺標準燒毀三顆電池,熱會以擴散形式傳送至相鄰電池,並且循著熱傳係數最高的材料有著最快速熱傳送的模式運作。圖十三為9顆電池模組的熱傳發展情形。



圖十三、9顆18650電池模組燒毀之熱傳送過程
圖十三、9顆18650電池模組燒毀之熱傳送過程

 
既然熱蔓延的形式為系統內各材料間熱傳導快慢之傳導速率的合成,那麼控制熱傳導值變成為一個重要因素;若每一顆電池將之思考成一棵可以燃燒的樹木,則森林防火巷的概念便可應用於模組的熱蔓延預防中,如圖十五所示。防火巷的目的在利用熱傳導的高/低改變熱傳值,因此依照計算熱傳的方式與環境散熱的關係,設計了一款專利異向熱傳的複合型材料,加以應用於電池模組的防火與導熱中。圖十六為在雙電池間加入特殊專利設計防火材料(Reddex)後,由於電池間的熱傳被延遲,相對發熱的電池有更多時間往雙電池系統的外部環境擴散熱,使相鄰電池僅受熱影響而接近溫度檢查點150˚C左右,雙電池系統的電池沒有延燒情形發生。在這裡必須注意的問題是---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:葉勝發、謝登存 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」363期,更多資料請見下方附檔。


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