動(dòng)力電池?zé)崾Э販y(cè)試及熱防護(hù)研究分析

奚杰　聶永福

摘 要：為了提高動(dòng)力電池的熱安全性能，減少熱失控時(shí)造成的危害，需要在動(dòng)力電池系統(tǒng)端進(jìn)行有效的熱防護(hù)及熱預(yù)警設(shè)計(jì)。本文通過(guò)加熱觸發(fā)的方式，對(duì)電芯和模組在熱失控時(shí)的電壓、溫度、釋能特性進(jìn)行了研究分析，明確了其熱失控特性的演變歷程，以此優(yōu)化動(dòng)力電池系統(tǒng)熱安全設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞：熱失控 熱防護(hù) 動(dòng)力電池 觸發(fā)模組

Research and Analysis of Power Battery Thermal Runaway Test and Thermal Protection

Xi Jie，Nie Yongfu

Abstract：In order to improve the thermal safety performance of the power battery and reduce the harm caused by thermal runaway， it is necessary to carry out effective thermal protection and thermal warning design on the power battery system. In this paper， through the heating trigger method， the voltage， temperature， and energy release characteristics of the cells and modules are studied and analyzed when the cells and modules thermally run away， and the evolution of their thermal runaway characteristics is clarified， so as to optimize the thermal safety design strategy of the power battery system .

Key words：thermal runaway， thermal protection， power battery， trigger module

1 引言

近年來(lái)，伴隨著高載能電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的增長(zhǎng)和高鎳體系電池的普及應(yīng)用，電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生起火等嚴(yán)重安全事故的頻率也表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在電動(dòng)汽車(chē)安全事故原因中，因電池?zé)崾Э卦斐傻膯?wèn)題占比較高。從鋰離子動(dòng)力電池本身來(lái)說(shuō)，其發(fā)生熱失控主要是由于因電池內(nèi)部短路、副反應(yīng)等產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散出，造成電池內(nèi)部熱量不斷積累，從而引發(fā)單體電池溫度急劇上升，進(jìn)而加熱臨近的電芯，造成系統(tǒng)的熱蔓延，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)甚至整車(chē)的起火或爆炸事故[1]。另一方面，隨著動(dòng)力電池尺寸、容量和能量密度的不斷增加，單體電池在熱失控時(shí)釋放的能量及爆破力也會(huì)成倍增加[2]。因此，本文通過(guò)對(duì)目前市面上普遍使用的大容量的動(dòng)力電池及對(duì)應(yīng)的模組在熱失控中特性參數(shù)的變化分析，以期望在動(dòng)力電池組設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中采取相應(yīng)的防護(hù)措施時(shí)起到參考作用。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為高比能量的51Ah三元軟包動(dòng)力電池及2P6S標(biāo)準(zhǔn)模組。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

絕熱加速量熱儀ARC、多路溫度記錄儀、300W加熱膜。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

電芯測(cè)試：（a）將電芯以0.33C恒流恒壓充電至100%SOC狀態(tài)，常溫靜置≥4小時(shí);（b）在電芯表面利用導(dǎo)熱膠固定多個(gè)溫度采集點(diǎn);（c）利用ARC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：以0.05℃/min，加熱至55℃后，再以0.05℃/min加熱，每升高5℃，等待30～60min，若檢測(cè)到電池溫升速率為0.02℃/min，則電芯自生熱開(kāi)始。

模組測(cè)方案：（a）將測(cè)試模組以0.33C恒流充電至100%SOC狀態(tài)，常溫靜置≥6小時(shí);（b）利用300W的加熱膜給觸發(fā)電芯進(jìn)行加熱;（c）記錄模組電壓及溫度變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 電芯ARC測(cè)試

本文選取一款三元軟包電芯進(jìn)行單體的熱失控實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估單體電芯熱失控時(shí)溫度及電壓等特性參數(shù)的演變規(guī)律。圖1（a）中為觸發(fā)電芯的簡(jiǎn)易圖，其中在電芯的表面共計(jì)布置了7個(gè)溫度傳感器，分別為電芯的正負(fù)極極耳處（T1/T5）、電芯大面中軸線(xiàn)1/4處（T2/T3/T4）和電芯側(cè)面中心處（T6/T7）。圖1（a）為觸發(fā)電芯的溫度和電壓隨時(shí)間的變化，圖1（b）為電芯大面T3的溫升速率。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在溫度小于55℃范圍內(nèi)電芯的溫度隨著加熱的進(jìn)行逐漸升高，在加熱-等待-搜索過(guò)程中當(dāng)溫度超過(guò)80℃時(shí)電芯出現(xiàn)了自生熱現(xiàn)象。隨后當(dāng)溫度大于150℃時(shí)，電池的溫升速率已達(dá)到1℃/min。當(dāng)電池溫度達(dá)到200℃時(shí)，溫升速率已高達(dá)1℃/S，并還在持續(xù)上升，最終溫度發(fā)生突升且電壓瞬間下降至0V，電芯熱失控發(fā)生。從記錄的數(shù)據(jù)來(lái)看，電芯熱失控時(shí)最高溫度達(dá)到725℃，釋放的能量相對(duì)來(lái)說(shuō)不高，電芯的殘?jiān)脖Ａ粝鄬?duì)完整，總體質(zhì)量損失約30%。從熱失控機(jī)理來(lái)說(shuō)，電芯主要是由于外因或內(nèi)因?qū)е码娦緝?nèi)部產(chǎn)熱并逐漸在內(nèi)部積聚，進(jìn)而誘發(fā)了一系列的副反應(yīng)，而這些副反應(yīng)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部的熱量積聚，壓力增大，最終導(dǎo)致鋰離子電池起火爆炸，形成嚴(yán)重的熱安全問(wèn)題。因此，進(jìn)行電芯的熱失控評(píng)估，在熱失控監(jiān)測(cè)策略及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)時(shí)具有必要的指導(dǎo)

意義。

3.2 模組熱失控測(cè)試

本文通過(guò)300W加熱膜觸發(fā)模組最外側(cè)單顆電芯，以便研究當(dāng)單體或少量電池?zé)崾Э赜|發(fā)后能量向外界蔓延的情況，以及其帶來(lái)的次生安全問(wèn)題。此外，溫度傳感器的布置如圖2（a）所示，每2P1S模塊中兩顆電芯之間的中心處布置一個(gè)溫感，共計(jì)6個(gè)溫感（TS1～ TS6），T加熱膜為加熱膜的溫度，NTC1和NTC2為模組自帶的溫感，其通過(guò)BMS進(jìn)行采集。從圖2（b）所示的溫度變化趨勢(shì)可以觀察到，觸發(fā)電芯在200℃左右時(shí)溫度表現(xiàn)出急劇上升的趨勢(shì)。此外，測(cè)試時(shí)觀察到模組外部鋁殼體出現(xiàn)膨脹，并從端板處釋放大量的煙霧，并在3S后端板處出現(xiàn)約45o方向的噴射火焰。從熱蔓延的情況來(lái)說(shuō)，從TS1到TS6時(shí)間間隔分別為61S、36S、18S、25S、42S，每蔓延至一串電芯，則模組間歇性地向外界釋放能量。從模組自帶的NTC2（采集第2串）溫度上升趨勢(shì)來(lái)看，其溫度達(dá)到200℃的時(shí)間點(diǎn)略晚于觸發(fā)發(fā)電芯約25S，且溫度上升相對(duì)平緩，可能是由于向外界散熱造成的。NTC1（采集第4串）溫度上升點(diǎn)幾乎與T3保持一致。另外，從失控模組的殘?jiān)鼇?lái)看，除部分塑料件熔融外，整體金屬框架保持完整狀態(tài)。從模組內(nèi)部電芯熱蔓延的情況來(lái)說(shuō)，可以在模組的第2串和3串、4串和5串增加一定厚度的氣凝膠，可以有助于延緩熱量的傳遞。可以根據(jù)模組熱失控時(shí)熱量的噴射方向及溫度情況，在電池包上殼體內(nèi)表面可以適當(dāng)噴涂一定厚度的隔熱材料，當(dāng)然該涂層不易過(guò)厚，否則不利于電池包正常情況下的散熱。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力電池的熱安全性能提升，需從電芯的熱穩(wěn)定性、熱蔓延傳遞的方向、模組熱失控的能量釋放等多維度的分析，才可以有效地指導(dǎo)系統(tǒng)的熱擴(kuò)散防護(hù)設(shè)計(jì)及熱預(yù)警策略的制定。本文通過(guò)電芯和模組的層級(jí)的實(shí)驗(yàn)，分析了電芯和模組熱失控及熱擴(kuò)散的發(fā)生及演變規(guī)律，便于后期系統(tǒng)層級(jí)的熱防護(hù)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Li W，Xuning F，Gang X，et al. ARC experimental and data analysis for safety evaluation of Li-ion batteries[J].Energy Storage Science and Technology，2018.

[2]劉磊，王芳，高飛，等.鋰離子電池模組熱失控?cái)U(kuò)展安全性的研究[J].電源技術(shù)，2019.