基于多參數融合圓柱形三元鋰電池熱失控預警研究

關鍵詞：熱失控；預警；三元鋰電池

0引言

熱失控是指鋰離子電池在高溫、過充/放電、針刺和短路等外部因素作用下，電池自身溫度急劇升高，并觸發(fā)一系列連鎖放熱反應，導致電池的溫度升高速率無法控制，產熱遠遠大于散熱，從而引發(fā)電池發(fā)生起火、爆炸等現象[1]。熱失控主要包括3種形式：機械濫用、電濫用和熱濫用。其中，電濫用是指過充電或過放電導致產生大量熱量而引發(fā)熱失控，被認為是最常見、最嚴重的因素。

歐陽明高等人認為過充引起的熱失控是一個電化學-熱耦合過程，在該過程中，會發(fā)生一系列放熱反應，伴隨著大量的熱量和氣體的產生；清華大學的馮旭寧等人對鋰離子電池的熱失控機理進行了全面的綜述，并總結了誘發(fā)鋰離子電池熱失控的濫用條件；邵慶[2]分析熱失控機理，設置溫度為80.00℃的閾值溫度，建立了以表面溫度為預警參數的預警機制，當電池表面熱電偶采集的溫度超過80.00℃時，將開啟電池熱失控預警；張斌、吳楠[3]提出基于紅外熱成像技術的電池極柱溫度監(jiān)控系統(tǒng)，與熱電偶測量方式相比，紅外熱成像儀響應速度更快、效率更高，綜合測試效率高。

電池熱失控過程中除了溫度有異常，電壓也會出現異常。機械原因造成的熱失控，電壓會因短路原因突降到0V；過充電原因造成的熱失控，電壓會發(fā)生變化，但并不會突降為0V，隨著熱失控發(fā)生，最終端電壓降至0V。因此李釗[4]研究不同工況下熱失控時電壓下降速率，提出了電池電壓下降速率為0.05～0.16V/s的熱失控預警范圍。目前單獨采用某臨界溫度或者電壓作為評估是否發(fā)生熱失控參考的依據，雖然具有一定的參考性，但集中在某個具體特征數值是不精準的，并有一定的局限性。研究多個參數協(xié)同互補作為熱失控預警，可以提高預警的準確性，以實現對電池熱失控的早期預警，從而及時采取措施，避免事故的發(fā)生。

1電池熱失控實驗

本文以鋰離子電池18650為實驗對象，正極材料主要為三元鋰、鎳鈷鋁，負極材料為石墨。

1.2過充與高溫試驗裝置

基于安全原因，過充試驗均在防爆室進行，并由攝像機記錄下來。測試過程中，由充放電測試系統(tǒng)（BTS）對測試電池進行循環(huán)測試，并記錄電壓；由特安斯生產的熱電偶測溫儀采集電池表面溫度，為后期分析電池的熱穩(wěn)定性提供數據。

1.3過充測試

試驗方案：實驗前，每個電池按標準充放電制度循環(huán)3次，制備充滿電的電池（100%SOC）。在完全充電狀態(tài)下（100%SOC），分別對18650型三元鋰電池進行不同充電深度（0.5C、1C和3C）的過充，在過充中檢測電池的電壓變化、溫度變化。過充試驗布置如圖1所示。

1.4高溫熱失控測試方案

第一步：通過充放電測試儀對電池進行充放電，將4塊電池分別充電至25%、50%、75%和100%。

第二步：分別在SOC為25%、50%、75%和100%的鋰電池表面，選擇適當的位置貼好熱電偶，用于采集電池表面溫度。開啟恒溫加熱儀，對SOC為25%、50%、75%和100%的四組電池進行加熱，直至電池熱失控起火、爆炸或者電池壓降為0.00V時結束。試驗中通過多通道熱電偶測溫儀及紅外熱成像儀檢測溫度等。

2試驗結果與討論

2.1電池過充時，電壓、溫度的變化

根據過充過程中所測鋰離子電池溫度、電壓等變化，可分為3個階段。

（1）第一階段：在不同倍率過充中，這一階段鋰電池電壓均呈上升趨勢。

這是由于鍍鋰陽極電位的負移，電池正極材料中的鋰離子過度脫出并嵌入到負極材料中，導致電壓也會上升，但是電壓上升緩慢。在這一階段，不僅電壓上升，溫度也過充而上升，這是由于過充過程中產生的極化熱和焦耳熱，導致了溫度上升[5]，1C充電倍率下，此階段溫度從常溫達到60.00℃，溫升速率為0.03℃/s，外表未見異常。

（2）第二階段：電壓仍然整體呈上升趨勢，變化不大。

該階段電池表面溫度仍然呈上升，并且每秒溫度上升速率大于第一階段溫升速率，1C充電倍率下，為0.40℃/s，溫度達到80℃，即熱失控觸發(fā)溫度，過充期間有氣體釋放。

（3）第三階段：電壓迅速上升至峰值，并從峰值迅速下降為0V。這是由于鋰離子電池隔膜完全被熔斷，內部短路導致鋰離子電池電壓下降為0V，電壓變化率較大，大于0.15V/s。該階段所測鋰電池溫度迅速上升，迅速達到峰值，這是由于電池內部正負極反應，產生大量的熱量，電池開始燃燒，溫度迅速上升到Tu點，此時1C充電倍率下溫度99.80℃，Tu點后溫升率變大，溫度加劇升高，直至到峰值。

由圖2可知，過充倍率越大，熱失控峰值越高。并且，鋰電池隨著充電倍率的增大，自然溫度T1越來越低，表明過充倍率越大，電池越不穩(wěn)定。隨著過充充電倍率的增大，熱失控觸發(fā)溫度逐漸變低，表明過充倍率越大，越易發(fā)生熱失控；過充倍率越大，熱失控最高溫度T3越大。

在不同的充電倍率下，破壞電池熱穩(wěn)定的溫度不同，熱失控觸發(fā)溫度不同。由此可知，我們不能單一地以熱失控時候的自然溫度、觸發(fā)熱失控溫度作為預警參數，作為預警熱失控的依據，這樣不精準，應融合熱失控過程中其他參數，作為判斷依據。

2.2電池高溫熱失控試驗結果

高溫熱失控試驗是評估電池熱安全性能的關鍵環(huán)節(jié)，通過對SOC為25%、50%、75%和100%四組電池分別進行加熱，直至電池熱失控，發(fā)現四組電池電壓均未上升。隨著熱失控繼續(xù)，電壓突降為0V；溫度隨著熱失控均上升，高溫熱失控過程中，電池SOC為25%、50%、75%和100%的四組電池，自產熱起始溫度T1分別為80.00℃、73.00℃、65.00℃和61.00℃，電池的自產熱起始溫度受SOC的作用較?。粺崾Э氐挠|發(fā)溫度T2分別為86.40℃、84.60℃、83.00℃和81.00℃，電池的熱失控觸發(fā)溫度隨著電池SOC的增加呈現出降低的趨勢。

由于鋰電池過熱未涉及充電，電壓幾乎沒有變化，溫度上升，直至電池溫度達到Tu，分別為120.00℃、119.00℃、117.00℃和110.00℃，Tu后溫度急劇上升，熱失控過程中的最高溫度T3分別為437.50℃、569.50℃、605.10℃和658.10℃，電池SOC值越高，熱失控的最高溫度越高，最大溫升速率越高。

綜上所述，高溫熱失控過程中，自產熱溫度T1隨著電池SOC值的增加而降低，電池越不穩(wěn)定；熱失控觸發(fā)溫度T2隨著電池SOC值的增加而下降，電池越容易熱失控；熱失控的最高溫度T3和電池高溫熱失控過程中的電池的產熱量隨著SOC值的增加而升高，熱失控破壞程度隨著電池SOC值的增加而劇烈。

在不同的充電倍率下，破壞電池熱穩(wěn)定的溫度不同，熱失控觸發(fā)溫度不同。由此可知，我們不能單一地以熱失控時候的自然溫度、觸發(fā)熱失控溫度作為預警參數和作為預警熱失控的依據，這樣不精準，應融合熱失控過程中其他參數作為判斷依據。

3熱失控三級預警方案

根據電池熱失控試驗結果，不同的充電倍率下，破壞電池熱穩(wěn)定的溫度不同，熱失控觸發(fā)溫度不同?；谝陨?，我們不能單一地以熱失控時候的自然溫度、觸發(fā)熱失控溫度作為預警參數，在預警方案中應融合熱失控過程中其他參數，如電壓變化率、溫升率和溫度等參數作為預警的觸發(fā)條件。其中溫度、溫升速率為一級預警參數；溫度、溫升速率和CO濃度為二級預警參數；溫度、溫升速率、電壓和電壓變化率為三級預警參數。具體熱失控三級預警方案制定如下。

（1）1級預警：電池過充初期，電壓會上升，電壓變化率較小；電池過熱初期，電壓變化較小；電池過充及過熱，電池溫度均會上升。因此，將電池溫度作為預警參數：溫度高于60.00℃，溫升速率大于0.03℃/s，將觸發(fā)報警，黃色燈閃爍。

（2）2級預警：溫度高于80.00℃，溫升速率大于0.04C/s，CO濃度大于200p/m，觸發(fā)報警，橙色燈閃爍。

（3）3級預警：溫度高于100.00℃，溫升速率大于3.00℃/s，電壓迅速下降至0V，電壓變化率大于0.15V/s，觸發(fā)報警，紅色燈閃爍。

4鋰電池熱失控三級預警界面設計

基于以上預警方案策略，三元鋰電池預警系統(tǒng)主要包括數據采集系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)和鋰電池報警系統(tǒng)三個部分。數據采集系統(tǒng)將采集到的鋰電池關鍵信息，如溫度、電壓等，并將這些信息輸入給數據處理系統(tǒng)；數據處理系統(tǒng)進行處理，并判斷此時電池狀態(tài)，最后向報警系統(tǒng)發(fā)出指令，并通過熱失控報警模塊顯示電池狀態(tài)。

本文使用C++語言在qtcreator中設計了三元鋰電池熱失控報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過實時監(jiān)測電池的溫度、電壓等參數，一旦發(fā)現異常，就立即啟動報警系統(tǒng)。在C++語言中，我們可以通過定義一個類來實現這個系統(tǒng)。這個類可以包含一些成員變量，用于存儲電池的各種參數，以及一些成員函數，用于處理這些參數并判斷是否需要啟動報警。

此外，我們還可以使用Qt的圖形用戶界面（GUI）庫來設計一個用戶觀察的界面，用于顯示電池的各種參數以及報警信息。這樣，用戶就可以直觀地看到電池的狀態(tài)，并在需要時采取相應的措施。

5結束語

基于對18650型三元鋰電池不同倍率過充試驗和不同初始SOC熱失控試驗，提出基于融合電壓變化率、溫升率、溫度等參數作為預警的觸發(fā)條件的三級預警方案：溫度、溫升速率為一級預警參數；溫度、溫升速率和CO濃度為二級預警參數；溫度、溫升速率、CO濃度、電壓、電壓變化率為三級預警參數；并使用C++語言在qtcreator中設計了三元鋰電池熱失控報警系統(tǒng)。此外，我們還基于Qt的圖形用戶界面（GUI）庫設計用戶觀察的界面，用于顯示電池的各種參數以及報警信息。