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高温引起的动力电池热失效测试分析

   次浏览   郑州日产汽车有限公司   2020-11-21

1 前言
      锂离子电池在充、放电过程中,会发生化学反应,并产生热量,使电池温度升高。当产生热量的速度大于散热速度,温度就会持续上升。若温度上升达到反应物的着火点就会发生燃烧,进而使温度进一步升高,加速锂离子电池内活性物质的反应。然后产生大量的气体,电池箱因内压急剧升髙而引起爆炸,由此可见,锂离子电池的热失控是由热量蓄积不能及时扩散而引起的。
      本试验选择电池模组内的某一颗电芯捆绑PTC加热片,通过外部供电进行加热的方式触发单体电芯热失控。

 

2 试验准备

      本试验选用电芯为18650型号,共8个模组串联组成。因电芯电量接近满电量时,更容易发生热失效,所以在试验开始前将模组充电至4.0V以上,随后将模组放置于电池箱体内。

      在第8串电芯模组的中间位置,选取一颗电芯用PTC加热片包裹,作为触发热失效的目标电芯。将信号线束,电压、温度、电源线等引至观察室内,随后电池箱体封盖,插件等用堵头封死,模拟电池箱是一个封闭的环境。如图1所示。


3 试验方法

      在观察室内,通过控制稳压电源,对电池模组进行小电流(6.5A)恒流充电,同时对加热膜进行加热,使用电脑上位机对模组的电压、温度等数据进行检测。通过视频监控观察电池箱体的状态变化。

      若电池箱体发生烟雾,或检测的电压、温度数据明显异常时,证明热失控已发生。关闭稳压电源开关,停止对电池模组的充电及加热。需继续观察电池箱状态是否发生明火、爆炸等,等待反应结束后,将电池箱体转移到室外完全区域。


4 试验结果
4.1电池箱体拆解

      箱体上盖有明显鼓包,上盖有髙温灼烧痕迹,箱体内部电池模组位置无明显变化,电芯排列基本完好,未发现有严重的散乱等现象。取出箱体中电芯,发现多处存在有侧壁爆开、钢壳熔融粘连、表面凹坑等现象,发生位置无明显规律。拆解过程如图3。


4.2电芯解剖

      针对电芯表面熔毁、电芯侧壁凸起、电芯侧壁熔融、电芯钢壳无明显异常现象各取样1只解剖,如图4所示。通过对电芯拆解可以确认,现有电池包内总体发生失效后,电芯损伤现象种类较多且无明显规律。


4.3试验数据分析

      测试模组监控数据整理如图5所示。

      失效发生后,监控的单体电压数据,成多段“V”字型下降。其原理为,多只电芯并联的模组内,热失控在电池Ball内部蔓延,Batl电芯发生短路,内阻不断减少,其他并联电芯对Batl放电,所以电压下降。当Batl完全热失控,电化学体系崩溃,相当于断路,内阻变大,其他并联电芯的短路电流为0,模组电压回升,由于SOC损失,回升电压小于初始电压。并联模组内,连续的单只电芯失效,造成模组电压连续的“V”字型下降。

      a)  14:24:59,电压有轻微波动,先下降后回升,第一次下降约32mV,此时电芯已发生失效,电池包仍在充电;

      b)   14:26:39,充电电流为0A,监测的8个模组电压值有所回落;

      c)   14:26:59,目标模组电压出现明显的“V”字型下降,其他模组电压维持正常状态;

     d)   14:27:04,8个模组电压均连续出现“V”字型下降,且数据曲线趋势相似,说明热失效扩散到了全部的8个模组。因目标模组先于其他模组发生单体电芯热失效,所以目标模组陆续失效的电芯个数多于其他模组,从数据上表现为,其他串模组电压波动的幅度小于目标模组;e.l4:28:49,热失效已完全嫌发、不可控,不同的模组随机失效的电芯个数不同,导致电压数据有所差异;

     f)   14:30:19,监控数据全部异常,信号失效断开。

 

5 结束语

      本次测试没有发生明火现象,从热失控开始到结束,持续时间约5min。

      通过测试验证了,单体电芯热失效可以引发模组及电池包整体发生连锁热失效反应。且根据采集的数据分析,在充电过程中,第一次表现出电压有微小波动时,单体电芯热失效已经开始。但因未达到BMS告警阀值,并未上报故障。

       改善建议,可以通过优化BMS采集处理数据的算法,S别出正常的压降波动和由于电芯发生了热失效而产生的电压波动,及时上报故障预警及切断髙压回路等措施,减小热失控进一步扩散的可能。

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