三元動力電池的熱失控安全性方法研究

吳飛馳，夏順禮，趙久志，秦李偉

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

三元動力電池的熱失控安全性方法研究

吳飛馳，夏順禮，趙久志，秦李偉

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

為確保電動汽車安全可靠的運行，提高三元動力電池模組的熱失控安全性，開展動力電池模組熱失控研究。在分析電池熱失控機理的基礎(chǔ)上，提出適應電池模組結(jié)構(gòu)的安全試驗方法，并采用該方法模擬鋰電池模組中單體電池熱失控對周圍電池的影響。結(jié)果表明：電池模組中單體電池的熱失控不會導致周圍其他電池熱失控；該測試方法可有效驗證電池模組在濫用條件下的熱失控安全性，為電動汽車安全運行提供保障。

電池模組；熱失控；安全性

0 引 言

鋰離子動力電池相對于其他動力電池，其能量高、體積小、質(zhì)量輕、安全可靠的特點成為目前純電動汽車較為理想的能量來源[1]。但鋰離子動力電池的比能量高，存在較大的安全隱患[2]。為了確保電動汽車可靠運行，急需開展鋰電池相關(guān)安全性的試驗研究。

目前，針對動力電池的安全測試大多停留在單體內(nèi)部[3-5]，模組級別的電池安全性研究工作相對較少。但是，電池模組中單體電池發(fā)生熱失控，會釋放大量熱量導致周圍電池溫度升高，存在引發(fā)大規(guī)模電池熱失控的可能，熱失控的出現(xiàn)是導致電池著火、爆炸的最終原因[6-9]。為此，本文通過模擬電池在電動汽車上的使用及電池模組的單體熱失控情況，研究模組級電池的安全性，為電動車的安全開發(fā)提供基礎(chǔ)[10-11]。

1 電池熱失控機理

熱失控的電池可以如下形式釋放能量[12]：1）有效化學能熱釋放；2）熱失控下的可燃物燃燒熱；3）材料相變過程中的熵變產(chǎn)物；4）過流產(chǎn)熱（內(nèi)阻）。

電池釋放能量可由下式表示：

式中第1項是對外釋放電能的主要形式，該項是可控的；第2與第3項是內(nèi)阻消耗電能的主要形式，最不可控；第4項等均可忽略。電池內(nèi)部（外部）短路過程中出現(xiàn)的熱聚集以及由于熱聚集導致的內(nèi)部可燃物燃燒產(chǎn)熱，是電池出現(xiàn)惡劣安全事故的根源。對于特定的電池，主要熱源是內(nèi)阻，占總產(chǎn)熱的54%[13]；因此，為安全考慮需降低電池內(nèi)阻，一方面可降低電池的產(chǎn)熱量；另一方面，導熱材料及導熱結(jié)構(gòu)設(shè)計也比較關(guān)鍵。電池熱失控情況下，內(nèi)阻等效如圖1所示，產(chǎn)生的熱量（放熱產(chǎn)熱及短路點焦耳產(chǎn)熱）主要表達為

圖1 電池內(nèi)阻等效圖

圖中，當Rs＞＞Rc時，Qs值對于容量不同的電池均無太大影響，出現(xiàn)熱失控幾率較?。ㄗ苑烹娸^大）；當Rs≈Rc時，Qs值占電池總能量的比例驟增，比表面積小的電池熱擴散較快，隔膜出現(xiàn)失效，但大容量電池熱擴散較慢，易出現(xiàn)熱驟集導致失效，因此對于隔膜要求更高。能量儲存滿態(tài)的電池，內(nèi)部可燃物（不考慮隔膜）在出現(xiàn)燃燒時累積的燃燒熱如果不能夠有效地釋放，加之電池容量較大，難以散熱，結(jié)果會發(fā)生爆炸。這個過程化學反應主要為

電池單體的內(nèi)短路是電池開發(fā)中最不可預測的失效模式，短路時大量熱釋放可導致動力電池總成發(fā)生熱失控。經(jīng)分析，影響電池單體內(nèi)短路安全性的主要因素包括正極、負極、隔膜、電解液、安全閥等。為開發(fā)出安全可靠的電池單體，保證電動車的安全運行，現(xiàn)通過試驗方法模擬電池內(nèi)部微短路，驗證模組的熱失控安全性。

2 動力電池熱失控試驗方法研究

試驗電池為圓形三元電池。通過計算將一定功率的加熱電阻絲纏繞在位于電池模組中間位置的電池單體上，同時在該電池殼體側(cè)面布置溫感以監(jiān)控溫度；該電池單體相鄰的電池上同樣布置溫感監(jiān)控溫度變化，將電池單體按動力電池總成的模組結(jié)構(gòu)進行并聯(lián)組裝并充至滿電；電池單體上的溫感連接至溫度巡檢儀上，加熱電阻絲兩端通過導線分別與外接電源相連，加熱回路通過繼電器開關(guān)控制；閉合繼電器持續(xù)加熱電池單體，觀察加熱過程中該電池單體的反應，監(jiān)控電池模組中單體的溫度變化；當被加熱電池單體發(fā)生失效，立即斷開加熱回路，結(jié)束試驗；繼續(xù)觀察相鄰電池單體的溫度變化，若溫度持續(xù)上升并發(fā)生失效，觀察反應程度并立即用消防沙堆埋；若相鄰電池無安全事故發(fā)生，則電池模組熱失控安全性符合要求；試驗電池模組如圖2所示。

試驗現(xiàn)場做好安全防護措施，試驗過程攝像記錄。

圖2 熱失控試驗用電池模組裝置圖

3 三元材料動力電池熱失控試驗結(jié)果及分析

為有效驗證電池單體在電池組內(nèi)部發(fā)生內(nèi)短路的熱失控安全性，逐步開展從單層模組到多層模組的試驗，同時確保試驗在密閉環(huán)境下進行。

3.1 單層模組

如圖3所示，加熱電池單體過程中，安全閥打開泄壓，此時為電池本身的安全保護啟動，繼續(xù)加熱至單體發(fā)生爆炸后停止；觀察模組中電池單體的溫度變化，由于熱量傳遞，周圍電池溫度緩慢上升最終達到平衡點后開始下降，未發(fā)生熱失控反應。

圖3 單層模組試驗

圖4 3層模組（最終裝配結(jié)構(gòu)）試驗

單層電池模組經(jīng)試驗后未發(fā)生熱失控，結(jié)合電池組結(jié)構(gòu)，組裝3個電池模塊，通過拉桿、壓條等緊固裝配，模組間通過阻燃板防護，逐步改進試驗環(huán)境模擬最終的密閉式結(jié)構(gòu)。

3.2 多層模組

如圖4所示，裝配3個模組，被加熱電池單體位于中間模組，左右兩側(cè)均為真實電池，在電池組殼體內(nèi)部開展試驗模擬實際使用狀態(tài)。被加熱電池單體失效時大量冒煙，無起火燃燒等安全事故發(fā)生，周圍相鄰電池溫度上升，但未發(fā)生熱失控，相鄰模組溫度基本正常；為充分驗證安全性，增加電池模塊單體并聯(lián)的數(shù)量（電池組最終裝配結(jié)構(gòu)），并再次開展試驗，加熱至電池單體失效時，安全閥打開并大量冒煙，無熱擴散，相鄰模組溫度小幅上升；3組電池模塊的單只電池溫升曲線如圖5所示。

圖5 試驗過程溫度變化曲線

如圖5（c）所示中間模組，當加熱單體至溫度達到158℃時，電池發(fā)生失效，正極處瞬間大量泄壓冒煙，15s內(nèi)溫度急劇上升至610℃后開始下降，周圍電池殼體上的溫感由于瞬間高溫，檢測到245℃的高溫，但隨后逐漸下降，無熱失控發(fā)生。左右兩邊模塊溫度基本無變化，最高為19℃。通過在密閉環(huán)境下開展從單層到多層模塊試驗，本試驗方法可有效驗證單體內(nèi)短路對模組熱失控安全性的影響。

4 結(jié)束語

為有效驗證三元18650高能量電池單體在電池模組中的熱失控安全性，通過利用加熱絲加熱電池單體，分別開展了單層到多層模組的試驗，結(jié)果表明本試驗方法可有效模擬驗證單體內(nèi)部微短路事故對模組安全性的影響。

如何針對各種不同正負極材料及隔膜的動力電池熱失控機理與試驗方法開展研究，需求更定量的熱失控數(shù)據(jù)及規(guī)律，是本文下一步的工作。

[1]芮秀風.純電動汽車蓄電池充電系統(tǒng)的研究[D].淮南：安徽理工大學，2012.

[2]趙飛.對鋰電池安全問題的風險管理[D].上海：華東理工大學，2012.

[3]吳凱，張耀，曾毓群，等.鋰離子電池安全性能研究[J].化學進展，2011，3（23）：401-409.

[4]Spotnitz R，F(xiàn)ranklin J.Abuse behavior of high-power, li-thium-ion cells[J].JPower Sources，2003（113）：81-100.

[5]夏蘭，李素麗，艾新平，等.鋰離子電池的安全性技術(shù)[J].化學進展，2011，3（23）：328-335.

[6]張磊.鋰離子電池安全性影響因素研究[D].秦皇島：燕山大學，2012.

[7]胡廣俠，解晶瑩.影響鋰離子電池安全性的因素[J].電化學，2002，8（3）：245-250.

[8]陳玉紅，唐致遠，盧星河，等.鋰離子電池爆炸機理研究[J].化學進展，2006，6（18）：823-831.

[9]馮詳明，鄭金云，李榮富，等.鋰離子電池安全[J].電源技術(shù)，2009（1）：7-9.

[10]王青松，孫金華，何理.鋰離子電池安全性特點及熱模型研究[J].中國安全生產(chǎn)技術(shù)，2005，6（1）：19-21.

[11]王松蕊，付亞娟，盧立麗，等.鋰離子電池溫度變化熱值模擬研究[J].電源技術(shù)，2010，1（34）：41-44.

[12]龍艷平.動力鋰離子電池充電過程熱模擬及模糊灰色關(guān)聯(lián)分析[D].長沙：湖南大學，2012.

[13]Zhang X W.Thermal analysis of a cylindrical lithium-ion battery[J].Electrochimica Acta，2011，56（3）：1246-1255.

5 結(jié)束語

利用中國民航大學飛機電源實驗室拖動臺測量發(fā)電機飛升曲線，實驗證明，發(fā)電機在相同功率因數(shù)、不同負載（包括空載、25%、50%、75%）額定條件下，測得的飛升曲線基本相同；功率因數(shù)不同，測得飛升曲線稍有變化，但變化不大，曲線走勢一致。可以證明，只要調(diào)壓系統(tǒng)在電感負載或低功率因數(shù)下穩(wěn)定，則在其他負載情況下也一定是穩(wěn)定的[11]。因此測飛機發(fā)電機飛升曲線時，根據(jù)ISO1540——2006，功率因數(shù)按最低允許值0.6設(shè)定。

利用LabVIEW測得飛機發(fā)電機飛升曲線，并利用Matlab的系統(tǒng)辨識功能求取發(fā)電機近似的傳遞函數(shù)，方法安全可靠。發(fā)電機傳遞函數(shù)的建立為機載電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論分析以及發(fā)電機調(diào)壓器的設(shè)計提供了重要的依據(jù)。

參考文獻

[1]張卓然，陳志輝，楊善水，等.飛機發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型的建立與研究[J].航空學報，2004（5）：490-494.

[2]吳偉.用微機測試發(fā)動機飛升曲線[J].傳感器技術(shù)，1993（1）：24-28.

[3]宋志安，王文馨.由階躍響應曲線辨識傳遞函數(shù)的圖解方法[J].山東科技大學學報：自然科學版，2003（1）：61-63.

[4]任仁良，王雪嬌，馮建朝.基于LabVIEW飛機地面逆變電源暫態(tài)特性測試系統(tǒng) [J].計算機測量與控制，2014（1）：19-21.

[5]ISO 1540—2006 Aerospace-Characteristics of aircraft electrical system[S].2006.

[6]MH/T-6019—1999 Aircraft ground support power units飛機地面電源機組[S].1999.

[7]MH/T-6018—1999 Ground solid-state power地面靜態(tài)電源[S].1999.

[8]鄭劍翔.Matlab系統(tǒng)辨識工具箱在系統(tǒng)控制設(shè)計中的應用[J].福州大學學報：自然科學版，2010（5）：703-707.

[9]劉建英，任仁良.飛機電源系統(tǒng)[M].北京：中國民航出版社，2013：39.

[10]魏巍.Matlab控制工程工具箱技術(shù)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：51-60.

[11]任仁良，劉蘊凱.飛機調(diào)壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立及動態(tài)分析[J].中國民航學院學報，1995（4）：46-55.

Testing method study on thermal runaway safety of NCM batteries

WU Feichi，XIA Shunli，ZHAO Jiuzhi，QIN Liwei
（New Energy Vehicle Academy，Technical Center of Anhui JiangHuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

To ensure safe and reliable operation of electric vehicles and improve the safety of heat runaway in ternary dynamic batteries，a testing method for the safety of battery module structures has been proposed in accordance with the study on thermal runaway mechanism and experiments of battery packs，and with this method the influence which caused by micro-short circuit in single cell to peripheral batteries has been simulated.Test resultsdemonstrate that thermal runaway in single cell will not affect peripheral batteries and the above method can effectively verify the thermal runaway safety of batter modules that are misused and thus guarantee safe operation of electric vehicles.

battery module；thermal runaway；safety

A

：1674-5124（2015）05-0125-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.031

2014-08-12；

：2014-10-21

吳飛馳（1989-），男，福建晉江市人，研究方向為電動車動力電池。