一種純電動(dòng)汽車用熱失穩(wěn)安全試驗(yàn)方法開發(fā)

李文杰

摘 要：為確保電池單體內(nèi)短路后無熱失控，通過模組試驗(yàn)方法開發(fā)逐步實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)狀態(tài)下的密閉環(huán)境熱失穩(wěn)安全性。通過采取加熱絲纏繞在某一單體電池加熱方式使電池溫度上升，加熱絲兩端分別通過導(dǎo)線與外接電源正負(fù)極相連，中間通過開關(guān)控制閉合。該單體布置于模塊中間位置，周圍相鄰六只單體分別布置溫感，模組裝配焊接。閉合繼電器加熱電池單體，溫感連接至多路溫度巡檢儀監(jiān)控試驗(yàn)過程中監(jiān)控溫度變化，當(dāng)加熱至電池單體發(fā)生失效后斷開加熱回路，持續(xù)觀察電池溫度變化及周圍相鄰電池是否發(fā)生失效等反應(yīng)。關(guān)鍵詞：熱失穩(wěn);加熱絲;加熱;短路中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）08-14-03

Abstract：?In order to ensure that there is no thermal runaway after the short circuit in the cell， the thermal instability safety in the closed environment close to the real state is gradually realized through the development of module test method. The heating wire is wound around a single battery to raise the temperature of the battery. The two ends of the heating wire are respectively connected with the positive and negative poles of the external power supply through wires， and the middle is closed through the switch control. The unit is arranged in the middle of the module， and six adjacent units are respectively arranged with temperature sensing， and the module is assembled and welded. Close the relay to heat the battery cell， connect the temperature sensor to the multi-channel temperature inspection instrument to monitor the temperature change during the monitoring test， disconnect the heating circuit when the heating reaches the failure of the battery cell， and continuously observe the temperature change of the battery and the failure of adjacent batteries around.Keywords： Thermal instability; Heating wire; Heating; Short circuitCLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）08-14-03

1?引言

三元材料（NCM、NCA）電池能量密度具高達(dá)240Wh/?kg～260Wh/kg，能量密度優(yōu)勢(shì)明顯。三元電池短路時(shí)起火，最大溫升速率≥150℃/s，氧化還原溫度僅200℃，相比磷酸鐵鋰材料低出200℃。18650、21700型三元材料電池單體用于純電動(dòng)汽車上，動(dòng)力電池系統(tǒng)約用2000～8000只電池單體。當(dāng)有一只電池單體發(fā)生內(nèi)短路時(shí)，瞬間釋放大量熱量，在IP67的密閉環(huán)境中將導(dǎo)致周圍相鄰電池溫度上升并引發(fā)失效，進(jìn)而引發(fā)模組、電池系統(tǒng)熱失控，嚴(yán)重影響整車的安全使用。

為確保動(dòng)力電池總成的安全，通過采用加熱絲加熱單體模擬內(nèi)短路失效的熱失穩(wěn)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，在開發(fā)過程中針對(duì)該試驗(yàn)方法不斷進(jìn)行開發(fā)完善，最終形成有效的、模擬真實(shí)工況的試驗(yàn)方法。

2 試驗(yàn)方法開發(fā)

為確保電池單體內(nèi)短路后無熱失控，通過模組試驗(yàn)方法開發(fā)逐步實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)狀態(tài)下的密閉環(huán)境熱失穩(wěn)安全性，確保動(dòng)力電池總成的安全性?，F(xiàn)通過采取加熱絲加熱方式使電池溫度上升，內(nèi)部隔膜在高溫下發(fā)生收縮產(chǎn)生內(nèi)部短路，驗(yàn)證該失效模式下電池的安全性。驗(yàn)證方法開發(fā)如圖1所示。

2.1?方法Ⅰ

當(dāng)發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)，電池自身進(jìn)行放電，此時(shí)電量降低，溫度持續(xù)上升時(shí)其本身能量釋放，為驗(yàn)證極端工況下的安全性，開展SOC100%狀態(tài)下的試驗(yàn)，電池本身作為電源進(jìn)行加熱，在開放體系下開展試驗(yàn)觀察電池的失效行為并評(píng)估安全性能。

試驗(yàn)中單層7P（P：并聯(lián)）電池經(jīng)加熱至失效時(shí)共約12min，此時(shí)電池經(jīng)放電加熱后剩余電量?jī)H為60～70%，30～40%電量作為熱量釋放。該方法并未驗(yàn)證極端條件下滿電電池失效時(shí)的安全性。

2.2 方法Ⅱ

基于方法Ⅰ試驗(yàn)基礎(chǔ)，滿電電池發(fā)生內(nèi)短路時(shí)進(jìn)行微自放電，至失效時(shí)電量剩余70%，為驗(yàn)證極端工況下電池的安全性，通過調(diào)整試驗(yàn)前的電池電量為70%，采用外部電源（輸出電壓4.1V）持續(xù)加熱至電池失效。試驗(yàn)于開放體系下進(jìn)行，觀察單層7P模塊中單體內(nèi)短路后的失效行為。

2.3 方法Ⅲ

經(jīng)以上方法逐步確定電池單體的設(shè)計(jì)參數(shù)后，為更有效模擬電池組的實(shí)際裝配結(jié)構(gòu)，采用三層7P模塊疊加裝配進(jìn)行試驗(yàn)（SOC70%，左右兩側(cè)電池為空殼體），驗(yàn)證單體內(nèi)短路失效后正極安全閥開啟時(shí)，大量氣體釋放對(duì)相鄰模塊的影響，同時(shí)分析該模塊失效后左右相鄰電池的溫度變化，判斷是否存在安全隱患。且通過模擬設(shè)計(jì)密閉環(huán)境：電池模塊放置于方形陶瓷水槽中，導(dǎo)線均由水槽排水孔引出并用密封膠進(jìn)行密封處理，上方由4個(gè)2.5kg重的壓塊及阻燃板固定密封。試驗(yàn)于該模擬密閉環(huán)境下進(jìn)行，驗(yàn)證密閉環(huán)境下熱量積累是否會(huì)影響安全性。

2.4 方法Ⅳ

經(jīng)方法Ⅲ試驗(yàn)驗(yàn)證，電池單體由于能量較大，失效時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊力導(dǎo)致陶瓷水槽上方的壓塊被頂開約5cm后重新落回，未能實(shí)現(xiàn)完全密封的試驗(yàn)條件。

現(xiàn)通過采用某動(dòng)力電池總成殼體作為試驗(yàn)環(huán)境，將三層7P模組（SOC70%）放置于殼體內(nèi)部，導(dǎo)線、溫感等線束由上殼體開孔引出并進(jìn)行密封，殼體參照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行密封、裝配，確保最接近動(dòng)力電池總成的實(shí)際使用狀態(tài)。同時(shí)左右兩側(cè)模塊采用真實(shí)電池，通過外部電源加熱開展試驗(yàn)。

2.5 方法Ⅴ

基于7P模塊逐步確定電池方案后，進(jìn)一步開展32P模塊的熱失穩(wěn)試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)K為三層32P模塊（真實(shí)電池），通過外部電源（輸出電壓4.1V）對(duì)加熱絲（內(nèi)阻0.4Ω）加熱，試驗(yàn)于某動(dòng)力電池總成殼體內(nèi)的密閉環(huán)境下進(jìn)行。

2.6?方法Ⅵ

通過輸出電壓4.1V的外部電源，以內(nèi)阻0.4Ω的加熱絲進(jìn)行加熱，綜合外部導(dǎo)線連接等的影響，實(shí)際加熱功率僅為30W左右，當(dāng)加熱至單體失效時(shí)（約10min），周圍相鄰一圈電池受加熱絲影響，溫度均上升至90℃左右，此時(shí)中間單體失效釋放能量進(jìn)一步導(dǎo)致其余電池溫度上升，引發(fā)熱失控反應(yīng)。經(jīng)分析，電池單體在發(fā)生局部?jī)?nèi)短路時(shí)，溫度迅速上升并失效。

為充分驗(yàn)證該真實(shí)失效模式，通過調(diào)整加熱方式，采用輸出電壓28V的外部電源，以內(nèi)阻15Ω的加熱絲進(jìn)行加熱，優(yōu)化外部導(dǎo)線連接等使加熱功率達(dá)到50W，試驗(yàn)過程中加熱至單體失效時(shí)間為1min左右，電池失效瞬間其余電池溫度為50℃左右。試驗(yàn)中無熱失控發(fā)生。

3?試驗(yàn)開發(fā)總結(jié)

通過在試驗(yàn)中不斷優(yōu)化改善測(cè)試方法，逐步接近模擬真實(shí)的單體內(nèi)短路失效事故，驗(yàn)證該失效模式是否引發(fā)熱失控，并通過該方法開發(fā)安全可靠的電池單體，滿足整車安全要求。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證形成熱失穩(wěn)試驗(yàn)方法如下：

（1）電池模組裝配：將加熱絲（內(nèi)阻15Ω）緾繞在某一單體電池上，單體正極極耳附近殼體側(cè)壁上布置溫感，該單體布置于模塊中間位置，周圍相鄰六只單體分別布置溫感，模組裝配焊接。

（2）試驗(yàn)方法：試驗(yàn)于密閉環(huán)境下進(jìn)行。試驗(yàn)前將nP模塊充至SOC70%，加熱絲兩端分別通過導(dǎo)線與外接電源（設(shè)置輸出電壓28V）正負(fù)極相連，中間通過開關(guān)控制閉合。溫感連接至多路溫度巡檢儀用于試驗(yàn)過程中監(jiān)控溫度變化，閉合繼電器加熱電池單體，觀察電池在加熱過程中的反應(yīng)同時(shí)監(jiān)控電池模塊其余單體溫度的變化;當(dāng)加熱至電池單體發(fā)生失效后斷開加熱回路，持續(xù)觀察電池溫度變化及周圍相鄰電池是否發(fā)生失效等反應(yīng)。

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