動力電池熱失控方法研究

秦李偉，趙久志，吳國輝，吳飛馳

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

動力電池熱失控方法研究

秦李偉，趙久志，吳國輝，吳飛馳

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

通過電阻絲加熱和針刺方法使動力電池內短路，研究動力電池的熱失控方法。試驗結果表明：不同試驗方法觸發(fā)電池內短路引發(fā)的熱失控對相鄰電池的影響不同，針刺方法比電阻絲加熱更適合于動力電池熱失控驗證，電阻絲加熱產(chǎn)生的熱量增大了動力電池發(fā)生熱失控的機率。

熱失控；針刺；電阻絲加熱

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.005

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-13-04

引言

動力鋰離子電池具有能量密度高、使用壽命長、額定電壓高、功率承受力高和自放電效率低等優(yōu)點，成為混動動力汽車和純電動汽車的理想動力電池，但是鋰離子電池的安全問題成為阻礙其廣泛應用于動力領域的主要因素[1]。截止到2015年底，中國電動汽車的保有量已突破50萬輛。隨著電動汽車保有量的增加，其安全性問題日益凸顯，而電動汽車的安全性問題主要來源于它的動力系統(tǒng)——鋰離子電池。鋰離子電池的安全問題主要是由熱失控引起的起火、爆炸等[2]，而引起熱失控的原因之一是電池內部發(fā)生短路。

目前對于鋰離子電池熱失控的研究主要集中于一種類型電池的建模分析和試驗分析[3-5]，本文針對18650型電池和方形電池采用不同的方法，模擬電池模塊中單體內短路引發(fā)熱失控，探索適合動力電池模塊熱失控驗證的方法。

1、單體內短路

一般情況下，濫用試驗中發(fā)生內部短路的危險性最大。電池發(fā)生內部短路時，內部溫度升高。高溫會誘發(fā)電池材料發(fā)生一系列放熱反應，反應產(chǎn)生的熱量促使電池內部溫度進一步升高而加劇放熱反應速率。最終，放熱反應和高溫兩個方面相互影響，呈現(xiàn)一種失控狀態(tài)， 即熱失控，從而引起鋰離子電池發(fā)生燃燒、爆炸等安全事故[6-7]。目前，電池的內短路主要由以下2種原因造成：第一隔膜缺陷、原材料被污染或者是外來物體的殘留等缺陷在電池的運輸和使用過程中會被不斷惡化和放大。現(xiàn)階段，即使是有著最好的質量控制的電池生產(chǎn)商都不能完全避免生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的金屬雜質或毛刺；第二電池的使用超出了生產(chǎn)廠商規(guī)定的電流、電壓和溫度適用范圍[8]。一個能被業(yè)界所普遍接受的測試內短路的方法應該具備以下特征：1、能夠適應電池的結構和形狀的變化（圓柱形或方形電池都可以使用）；2其測試結果要能夠和其他變量的測試結果進行對比。各種內短路可歸納為以下四類：負極到正極，負極到鋁箔，銅箔到鋁箔，銅箔到正極，如圖1所示[8]：

2、單體內短路方法介紹

本文采用具有相同正極材料的18650型電池和方形電池進行試驗模擬，試驗電池內短路觸發(fā)方法為電阻絲加熱和針刺。

2.1 電阻絲加熱

采用電阻絲加熱方法模擬電池因環(huán)境溫度劇烈變化引發(fā)的鋰離子電池熱失控。電池隔膜是由PP/PE/PP三層隔膜組成，其中PP的熔點為165℃，PE的熔點為135℃[9]。通過將電阻絲纏繞在鋰離子電池表面進行加熱，迅速產(chǎn)生的大量的熱量，使隔膜發(fā)生變形收縮，正負極連接，引發(fā)電池內短路，最終引發(fā)電池熱失控。

2.2 針刺

通過鋼針穿刺鋰離子電池模擬電池內部的金屬異物引發(fā)鋰離子電池熱失控。鋼針刺入電池后，作為金屬導體連接了正負極，使電池發(fā)生內短路，短路位置將產(chǎn)生大電流，并迅速產(chǎn)生大量的熱量，最終引發(fā)電池熱失控。

3、動力電池模塊熱失控驗證方法

3.1 電阻絲加熱

3.1.1 18650電池

試驗采用某18650電池。通過計算將一定內阻的電阻絲纏繞在電池表面，并在該電池殼體外側布置溫度傳感器，然后將此電池布置于電池模塊中央位置，與該電池相鄰的電池也布置相同的溫度傳感器。電池采用并聯(lián)組裝成模塊后，采用廠家規(guī)定的充電方法將電池充至滿電。將電阻絲連接至外接電源，溫度傳感器連接至溫度巡檢儀；記錄電池模塊初始狀態(tài)（電壓、溫度等），持續(xù)加熱電池至其發(fā)生失效，斷開外接電源，觀察模塊是否發(fā)生熱失控。試驗設備和模塊狀態(tài)如圖2所示：

3.1.2 方形電池

試驗采用某方形電池。將與上述相同的電阻絲，纏繞在電池表面，并在被加熱電池表面和相鄰電池表面布置溫度傳感器，電池組成模塊后按廠家規(guī)定充電方法將模塊充至滿電。加熱方式和溫度記錄與上述試驗相同，持續(xù)加熱電池至其發(fā)生失效，斷開外接電源，觀察方形電池模塊是否發(fā)生熱失控。試驗模塊如下圖3所示：

3.2 針刺

3.2.1 18650電池

試驗采用某18650電池。選擇針刺電池的位置（如圖4），在此電池和相鄰電池表面布置溫度傳感器。電池按并聯(lián)組裝成模塊后，采用廠家規(guī)定的充電方法將電池充至滿電。將模塊固定于針刺臺架上，連接好溫度巡檢儀。使用直徑1mm的鋼針以1mm/s的速度穿刺電池至其起火，觀察模塊是否發(fā)生熱失控。

3.2.2 方形電池

試驗采用某方形電池。選擇針刺電池的位置（如圖5），相鄰電池表面布置溫度傳感器，電池組成模塊后，按廠家規(guī)定充電方法將電池充滿電。使用直徑1mm的鋼針以1mm/s的速度穿刺電池至其起火，觀察模塊是否發(fā)生熱失控。

4、動力電池試驗結果及分析

4.1 電阻絲加熱

4.1.1 18650電池

樣品一、被加熱電池持續(xù)加熱過程中，安全閥打開泄壓，繼續(xù)加熱電池，電池從正負極兩端爆開，有明火噴出，持續(xù)約3秒后，有大量濃煙冒出。從圖6可看出被加熱電池持續(xù)加熱1分45秒后，溫度升至135℃，電池爆炸，溫度迅速升至690℃左右。這是因為被加熱單體隔膜持續(xù)收縮，隔膜收縮后正負極接觸，發(fā)生內短路并產(chǎn)生大量的焦耳熱，大量的熱量又進一步促進了電池內部的反應，最終導致單體失控。系）在被加熱電池爆炸前，由于電阻絲的熱輻射使相鄰電池溫度由35℃增至110℃左右，斷開外接電源后，相鄰電芯溫度有下降趨勢。當被加熱電池爆炸后，電池溫度迅速下降，而相鄰電池溫度則緩慢上升至所有電池溫度相同。

樣品二、被加熱電池在試驗開始120s后發(fā)生起火爆炸，溫度迅速攀升到660℃左右。相鄰電池溫度緩慢爬升，在試驗開始3min后，兩枚電池發(fā)生熱失控，之后6min內所有電池發(fā)生熱失控。樣品二與樣品一區(qū)別在于電池間距變小。由圖7可以看出電池溫度迅速攀升是在160℃左右，這是因為單體內部隔膜受熱變形、收縮導致正負極連接，發(fā)生內短路，產(chǎn)生很大的電流，并迅速產(chǎn)生大量的焦耳熱所致。

4.1.2 方形電池

樣品一 閉合開關加熱電池，當被加熱電池溫度上升至200℃左右時，安全閥沖開泄壓，溫度下降至190℃，繼續(xù)加熱電池單體，相鄰電池安全閥相繼沖開（被加熱電池未發(fā)生爆炸），溫度均達到300℃，其中一只電池單體（最外側）安全閥沖開時噴火、電解液燃燒，但模塊未發(fā)生爆炸，這說明安全閥起到了非常好的泄壓作用，使電池在內短路大量產(chǎn)氣后及時排出氣體，避免電池發(fā)生爆炸。

樣品二 閉合開關加熱電池，電池溫度持續(xù)緩慢上升，從圖8可以看出，整個模塊溫度最高上升至142℃，試驗過程中所有單體溫度上升趨勢一致，這是因為方形電池單體之間傳熱面積大，加熱過程中，熱量同時輻射給了兩側的單體。被電阻絲纏繞電池在142℃左右，安全閥打開，電池溫度下降，而該電池單體兩側單體溫度也隨之下降。升溫過程持續(xù)時間約40min，電池模塊未發(fā)生熱失控。

4.2 針刺

4.2.1 18650電池

如圖9所示，針刺前檢測電池溫度為25℃，電池被鋼針穿刺后大量冒煙并噴火，（2）被針刺電池發(fā)生熱失控，這是因為鋼針刺入后連接了電池正負極，形成內短路，并迅速產(chǎn)生大量焦耳熱，大量的熱量又進一步促進電池內部的化學反應。電池最高溫度達到630℃左右，隨后電池溫度逐漸下降，相鄰電池溫度則緩慢上升，最高達到120℃左右。試驗過程中，模塊未發(fā)生熱失控。

4.2.2 方形電池

如圖10所示，針刺前檢測電池溫度為30℃左右，電池經(jīng)鋼針穿刺后產(chǎn)生大量氣體，被針刺電池最高溫度達到105℃，隨后電池溫度逐漸下降，相鄰電池溫度則緩慢上升，最高達到100℃，模塊未發(fā)生熱失控。

5、結論

通過對18650電池和方形電池開展電阻絲加熱和針刺試驗，使模塊中電池內短路，模擬電池模塊中電池發(fā)生熱失控，探索合適的熱失控驗證方法，得出以下結論：

（1）對比針刺和電阻絲加熱試驗，我們發(fā)現(xiàn)對同一種電池，電阻絲加熱觸發(fā)的內短路使電池溫度上升更高，我們認為這是電阻絲加熱引入的熱量所致；

（2）電阻絲加熱過程中，會給相鄰電池帶入大量熱量，如果模塊間距較小，極有可能使被加熱電池和相鄰電池都發(fā)生熱失控，從而導致試驗模擬失敗，因此我們認為針刺方法是更適合18650電池和方形電池模塊熱失控安全性驗證的方法；

（3）泄壓安全閥在電池內短路時，能夠降低電池內部壓力和溫度，防止電池發(fā)生熱失控，起到保護作用；

（4）電解液高速噴出時引發(fā)的起火并不是導致相鄰電池溫度上升和失效的主要原因。

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Research on Thermal Runaway Method of Dynamic Battery

Qin Liwei, Zhao Jiuzhi, Wu Guohui, Wu Feichi
（New energy vehicle academy, Technical Center, AnHui JiangHuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

Two methods of the internal short circuit of the dynamic lithium-ion battery were carried out to research the thermal runaway of the dynamic lithium-ion battery。The results show that the thermal runaway of the dynamic lithium-ion battery performs differently at the different test methods. The nail penetration is more suitable for the dynamic lithium-ion battery than the heating by the resistive wire and the heating of the battery will generate more heat，witch make the thermal runaway of the dynamic lithium-ion battery easier.

thermal runaway; nail penetration; resistive wire

U467.3

A

1671-7988(2016)10-13-04

第一作者：秦李偉（1983.10-），男，碩士，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，新能源汽車研究院。主要從事電動汽車電池系統(tǒng)設計研究。

吳國輝（1989.3-）男，本科，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，新能源汽車研究院。主要從事電動汽車電池系統(tǒng)設計研究。