高溫引起的動力電池熱失效測試分析

1 前言

       鋰離子電池在充?放電過程中，會發(fā)生化學反應，并產生熱量，使電池溫度升高?當產生熱量的速度大于散熱速度，溫度就會持續(xù)上升?若溫度上升達到反應物的著火點就會發(fā)生燃燒，進而使溫度進一步升高，加速鋰離子電池內活性物質的反應?然后產生大量的氣體，電池箱因內壓急劇升髙而引起爆炸，由此可見，鋰離子電池的熱失控是由熱量蓄積不能及時擴散而引起的?

       本試驗選擇電池模組內的某一顆電芯捆綁PTC加熱片，通過外部供電進行加熱的方式觸發(fā)單體電芯熱失控?

2 試驗準備

       本試驗選用電芯為18650型號，共8個模組串聯(lián)組成?因電芯電量接近滿電量時，更容易發(fā)生熱失效，所以在試驗開始前將模組充電至4.0V以上，隨后將模組放置于電池箱體內?

       在第8串電芯模組的中間位置，選取一顆電芯用PTC加熱片包裹，作為觸發(fā)熱失效的目標電芯?將信號線束，電壓?溫度?電源線等引至觀察室內，隨后電池箱體封蓋，插件等用堵頭封死，模擬電池箱是一個封閉的環(huán)境?如圖1所示?

3 試驗方法

       在觀察室內，通過控制穩(wěn)壓電源，對電池模組進行小電流(6.5A)恒流充電，同時對加熱膜進行加熱，使用電腦上位機對模組的電壓?溫度等數(shù)據(jù)進行檢測。通過視頻監(jiān)控觀察電池箱體的狀態(tài)變化?

       若電池箱體發(fā)生煙霧，或檢測的電壓?溫度數(shù)據(jù)明顯異常時，證明熱失控已發(fā)生?關閉穩(wěn)壓電源開關，停止對電池模組的充電及加熱?需繼續(xù)觀察電池箱狀態(tài)是否發(fā)生明火?爆炸等，等待反應結束后，將電池箱體轉移到室外完全區(qū)域?

4 試驗結果

4.1 電池箱體拆解

       箱體上蓋有明顯鼓包，上蓋有髙溫灼燒痕跡，箱體內部電池模組位置無明顯變化，電芯排列基本完好，未發(fā)現(xiàn)有嚴重的散亂等現(xiàn)象?取出箱體中電芯，發(fā)現(xiàn)多處存在有側壁爆開?鋼殼熔融粘連?表面凹坑等現(xiàn)象，發(fā)生位置無明顯規(guī)律?拆解過程如圖3?

4.2 電芯解剖

       針對電芯表面熔毀?電芯側壁凸起?電芯側壁熔融?電芯鋼殼無明顯異?，F(xiàn)象各取樣1只解剖，如圖4所示?通過對電芯拆解可以確認，現(xiàn)有電池包內總體發(fā)生失效后，電芯損傷現(xiàn)象種類較多且無明顯規(guī)律?

                               圖5監(jiān)測數(shù)據(jù)                                                     圖6并聯(lián)電池模阻熱失控蔓延示意圖

4.3 試驗數(shù)據(jù)分析

測試模組監(jiān)控數(shù)據(jù)整理如圖5所示?

       失效發(fā)生后，監(jiān)控的單體電壓數(shù)據(jù)，成多段“V”字型下降?其原理為，多只電芯并聯(lián)的模組內，熱失控在電池Ball內部蔓延，Batl電芯發(fā)生短路，內阻不斷減少，其他并聯(lián)電芯對Batl放電，所以電壓下降?當Batl完全熱失控，電化學體系崩潰，相當于斷路，內阻變大，其他并聯(lián)電芯的短路電流為0，模組電壓回升，由于SOC損失，回升電壓小于初始電壓?并聯(lián)模組內，連續(xù)的單只電芯失效，造成模組電壓連續(xù)的“V”字型下降?

       a) 14:24:59，電壓有輕微波動，先下降后回升，第一次下降約32mV，此時電芯已發(fā)生失效，電池包仍在充電;

       b) 14:26:39，充電電流為0A，監(jiān)測的8個模組電壓值有所回落;

       c) 14:26:59，目標模組電壓出現(xiàn)明顯的“V”字型下降，其他模組電壓維持正常狀態(tài);

       d) 14:27:04，8個模組電壓均連續(xù)出現(xiàn)“V”字型下降，且數(shù)據(jù)曲線趨勢相似，說明熱失效擴散到了全部的8個模組?因目標模組先于其他模組發(fā)生單體電芯熱失效，所以目標模組陸續(xù)失效的電芯個數(shù)多于其他模組，從數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為，其他串模組電壓波動的幅度小于目標模組;e.l4:28:49，熱失效已完全嫌發(fā)?不可控，不同的模組隨機失效的電芯個數(shù)不同，導致電壓數(shù)據(jù)有所差異;

       f) 14:30:19，監(jiān)控數(shù)據(jù)全部異常，信號失效斷開?

5 結束語

       本次測試沒有發(fā)生明火現(xiàn)象，從熱失控開始到結束，持續(xù)時間約5min?

       通過測試驗證了，單體電芯熱失效可以引發(fā)模組及電池包整體發(fā)生連鎖熱失效反應?且根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析，在充電過程中，第一次表現(xiàn)出電壓有微小波動時，單體電芯熱失效已經開始?但因未達到BMS告警閥值，并未上報故障?

       改善建議，可以通過優(yōu)化BMS采集處理數(shù)據(jù)的算法，S別出正常的壓降波動和由于電芯發(fā)生了熱失效而產生的電壓波動，及時上報故障預警及切斷髙壓回路等措施，減小熱失控進一步擴散的可能?

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