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锂离子动力电池系统热失控扩展特性试验研究

   次浏览   上海机动车检测认证技术研究中心有限公司   2021-04-12

引言

截至2020年6月底,针对新能源汽车安全问题,行业共开展缺陷调查42起,企业主动实施召回18起,其中乘用车占比最高,为89%。在1至5万公里车辆发生的事故中,由动力电池故障引发的火灾事故占比为77%,而电芯热失控是动力电池发生故障的主要原因,占比为82%,因此,通过采集特征参数,研究电芯热失控及在模组、电池系统范围内热扩展的特性至关重要。

锂离子电池热失控主要是由电池内短路造成的,其诱因有电滥用、机械滥用和热滥用。其中,热滥用主要指因温度过高引起电池内部活性材料发生副反应,进而诱发热失控,在此过程中电池内部反应的放热顺序依次为:SEI膜分解、负极与电解液反应、隔膜融化(吸热)、电解质溶液分解反应、正极分解反应以及黏结剂分解反应。

本文以加热作为触发方式,对三元材料(NCM523)的圆柱形电芯诱发热失控,进而对动力电池系统热扩展进行研究,通过采集不同位置的温度、电压等特征参数,分析热失控的发生和扩展特性,以期为动力电池系统温感布置、监控及保护策略设置奠定基础。

1试验对象与方法

1.1试验对象

本文试验对象为由18650圆柱形电芯组成的电池系统,额定容量为112.5Ah,试验前电池系统的SOC为95%,其主要信息参数如表1所示。

锂离子动力电池系统热失控扩展特性试验研究

电池系统内部模组串接编序、模组温度采样点位置及编序如图1(a)所示,自电池系统的总负极至总正极的模组编号依次为M1-M24,在水平面上呈“S”形分布,对应的电压、温度编号分别为V1-V24、T1-T24。单节电芯的正极和负极通过铜镍复合板并联成组,温度、电压采集点布置于各模组极耳连接处,模组之间无隔热防护材料。触发电芯位于电池系统中间位置模组M13上侧,其温度采样点及编序如图1(b)所示,在触发电芯的正极、负极及邻近3节电芯负极处的连接镍带上布置温度采集线,编号为T25-T29,其中T26位于触发电芯正极镍带上。

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1.2试验方法

本文选用加热的方式作为热失控触发方式,将加热电阻丝均匀缠绕于触发电芯上。GB38031–2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》附录C中的加热装置功率要求如表2所示,当触发对象电能E<100W·h时,加热装置最大功率选择范围为30-300W。为便于观测热失控过程前后的参数变化情况,选取加热装置的电阻丝电阻值为1.5Ω,最大功率为100W。为观察热失控后引发的热扩展情况,试验前打开电池系统上盖板;设置温度、电压采样频率为1Hz,开始记录时间为15∶12∶50,电芯加热起始时间为15∶13∶40。触发电芯热失控的判断条件如下:

(1)触发单体产生电压降,且下降值超过初始电压的25%;

(2)监测点温度达到规定的最高工作温度;

(3)监测点的温升速率dT/dt≥1℃/s,且持续3s以上。

当(1)和(3)或(2)和(3)发生时,判定发生单体热失控。

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2试验结果分析

2.1试验进程

试验进程中各关键事件发生时间节点与实物照片如图2所示。

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由图2可知,开始加热电芯前50s打开温度和电压采样记录仪,在加热开始后575s出现迸发火焰,电芯热失控后迅速诱发电池系统起火,随着热失控扩展,不断有新的电芯发生热失控并形成火势迅速蔓延,伴随火焰迸溅火势不断增大,约30s后火势充满整个电池系统并持续燃烧,火焰高度约为3m,温度最高约为900℃,在75s后开始沉水灭火,电池系统完全浸没后,水面火焰仍持续约40s,火焰熄灭后有大量水泡,表明电池在继续释放气体。

2.2电芯采样特征分析

基于电芯层面的采样数据,对触发电芯、周边电芯及所在模组进行分析,温度、电压及温变速率–时间曲线如图3和图4所示。由图3和图4可知:

锂离子动力电池系统热失控扩展特性试验研究

(1)触发电芯发生热失控前,模组电压维持稳定不变;电芯负极镍带处采样温度较正极上升更为平稳,温变速率基本在-0.1-0.2℃/s范围内;正极镍带处采样点T26温度则表现出不稳定性,在加热初始和中间阶段出现温度突增,温变速率峰值分别达到0.4℃/s和3.3℃/s,原因可能是T26温感松动,未完全与镍带贴合。

(2)电芯负极镍带处采样点温度为T25>T27>T29>T28,其中在同一水平位置处的T27和T29由于距离热失控电芯的距离相似,空间位置对称,其温度亦较为接近;T28处于热失控电芯竖直下方位置处,且试验时电池系统上盖移除,因此温度较小。

(3)触发电芯热失控瞬间,由于正极喷发火焰,使得正极镍带处T26温感脱落,造成温度短暂下降,之后超越负极T25,温变速率峰值达到每秒上百摄氏度。

(4)触发电芯发生热失控前后5s内,T26温度由67.1℃依次升至67.9℃、69.7℃、472.3℃、602℃和468.5℃,T25温度由86.0℃依次升至86.5℃、87.1℃、131.4℃、230.2℃和311.5℃,温度值、温变速率和持续时间均满足标准中触发电芯热失控的判断条件。邻近3节电芯T27、T28和T29采样温度特征也达到热失控的判断条件,但温度值均低于80℃。

(5)在图4中,触发电芯热失控瞬间,温变速率从小于1℃/s突变至44℃/s,同时所在模组电压下降约0.5V,后略有回升。尽管电芯T27、T28和T29的采样温度特征已达到标准中电芯热失控的判断条件,但温变速率并没有发生突变,可以判断触发电芯热失控时并未有新的电芯继续发生热失控。而在5s、8s、15s后,电芯T29、T28和T27的温变速率都已达到20℃/s以上,且伴有电压降,说明邻近电芯由于受到热失控电芯的热扩展影响,依据距离远近相继触发了自身的热失控,此为典型的热失控扩展现象,扩展时间最短为5s。

(6)在热失控扩展过程中模组电压出现反复波动,其原因除电芯内部复杂的电化学反应以外,还可能是因为并联模组内的完全热失控并非一蹴而就,未失控电芯为平衡电压变化,对电压变低的电芯进行了补电。因此,当整个模组完全热失控或大部分电芯已完全热失控时,模组电压才停止反复波动并急剧降为0。

2.3电芯-模组采样特征分析

基于电芯-模组层面的采样数据,在触发电芯热失控后,邻近电芯T27、T28和T29及所在模组采样点T12、T13的温度-时间曲线如图5所示。可知触发电芯发生热失控,对应时刻模组采样温度在55℃左右,当4节电芯均发生热失控时,模组采样温度在80℃左右,远低于电芯正负极的采样温度,且模组上正负极采样温度差别不大。

锂离子动力电池系统热失控扩展特性试验研究

模组采样点T12、T13的温变速率及电压-时间曲线如图6所示,正负极的温变速率均呈波动上升趋势,且出现明显电压降时温变速率进入新的增长阶段,但温变速率的变化率小于3℃/s2,因此,对于以模组温度作为监测对象的电池系统,应合理布置温度采样点,严格设置保护上限。

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2.4模组采样特征分析

基于模组层面的采样数据,触发电芯所在模组M13及周围模组M4、M20、M12、M14的正、负极采样温度和模组电压曲线如图7和图8所示。由图可知,在热失控扩展阶段,模组M13负极温度T12大于正极T13,但温差较小;侧边邻近模组M4负极温度T3大于正极温度T4;侧边邻近模组M20负极温度T19大于正极温度T20,即均出现负极温度大于正极温度的现象,这是因为模组M4、M20的负极位于M13正极侧;同样由于喷发火焰使得串接的邻近模组温度T14远大于T11。从各模组电压降曲线来看,M13热失控后,与正极串接的M14最先发生并达到完全热失控,M4较与负极串接的M12稍晚发生热失控,但压降更为迅速并先于M12达到完全热失控,说明在热失控扩展过程中,正极直接串接侧的风险较大,因此,在圆柱形电池系统中应尽量避免电芯正负极直接串接,尤其是模组正极侧的防护材料需要具备更高的耐温防爆特性。

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3结语

本文通过试验的方式,对由圆柱形锂离子电芯构成的无防护材料电池系统进行热失控扩展分析,研究结论如下:

(1)由于电芯热失控诱发的热扩展过程短暂,约5s后引发第二节电芯热失控,58s后整个模组电压降为0;

(2)热失控发生前,触发电芯负极采样温度高于正极,且负极温变速率平稳,在-0.1-0.2℃/s的温变速率范围内,能更精确地表征电芯温度,且模组上两极采样温度差异较小;

(3)热失控触发后,受正极喷射火焰影响,与之直接串接的模组在热扩展中受影响最大,其次是正极侧的邻近模组,因此,应避免圆柱形电芯正负极直接串接,且模组正极侧的防护材料需要具备更高的耐温防爆特性。

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