三元动力电池的热失控安全性方法研究

吴飞驰，夏顺礼，赵久志，秦李伟

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

三元动力电池的热失控安全性方法研究

吴飞驰，夏顺礼，赵久志，秦李伟

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

为确保电动汽车安全可靠的运行，提高三元动力电池模组的热失控安全性，开展动力电池模组热失控研究。在分析电池热失控机理的基础上，提出适应电池模组结构的安全试验方法，并采用该方法模拟锂电池模组中单体电池热失控对周围电池的影响。结果表明：电池模组中单体电池的热失控不会导致周围其他电池热失控；该测试方法可有效验证电池模组在滥用条件下的热失控安全性，为电动汽车安全运行提供保障。

电池模组；热失控；安全性

0 引 言

锂离子动力电池相对于其他动力电池，其能量高、体积小、质量轻、安全可靠的特点成为目前纯电动汽车较为理想的能量来源[1]。但锂离子动力电池的比能量高，存在较大的安全隐患[2]。为了确保电动汽车可靠运行，急需开展锂电池相关安全性的试验研究。

目前，针对动力电池的安全测试大多停留在单体内部[3-5]，模组级别的电池安全性研究工作相对较少。但是，电池模组中单体电池发生热失控，会释放大量热量导致周围电池温度升高，存在引发大规模电池热失控的可能，热失控的出现是导致电池着火、爆炸的最终原因[6-9]。为此，本文通过模拟电池在电动汽车上的使用及电池模组的单体热失控情况，研究模组级电池的安全性，为电动车的安全开发提供基础[10-11]。

1 电池热失控机理

热失控的电池可以如下形式释放能量[12]：1）有效化学能热释放；2）热失控下的可燃物燃烧热；3）材料相变过程中的熵变产物；4）过流产热（内阻）。

电池释放能量可由下式表示：

式中第1项是对外释放电能的主要形式，该项是可控的；第2与第3项是内阻消耗电能的主要形式，最不可控；第4项等均可忽略。电池内部（外部）短路过程中出现的热聚集以及由于热聚集导致的内部可燃物燃烧产热，是电池出现恶劣安全事故的根源。对于特定的电池，主要热源是内阻，占总产热的54%[13]；因此，为安全考虑需降低电池内阻，一方面可降低电池的产热量；另一方面，导热材料及导热结构设计也比较关键。电池热失控情况下，内阻等效如图1所示，产生的热量（放热产热及短路点焦耳产热）主要表达为

图1 电池内阻等效图

图中，当Rs＞＞Rc时，Qs值对于容量不同的电池均无太大影响，出现热失控几率较小（自放电较大）；当Rs≈Rc时，Qs值占电池总能量的比例骤增，比表面积小的电池热扩散较快，隔膜出现失效，但大容量电池热扩散较慢，易出现热骤集导致失效，因此对于隔膜要求更高。能量储存满态的电池，内部可燃物（不考虑隔膜）在出现燃烧时累积的燃烧热如果不能够有效地释放，加之电池容量较大，难以散热，结果会发生爆炸。这个过程化学反应主要为

电池单体的内短路是电池开发中最不可预测的失效模式，短路时大量热释放可导致动力电池总成发生热失控。经分析，影响电池单体内短路安全性的主要因素包括正极、负极、隔膜、电解液、安全阀等。为开发出安全可靠的电池单体，保证电动车的安全运行，现通过试验方法模拟电池内部微短路，验证模组的热失控安全性。

2 动力电池热失控试验方法研究

试验电池为圆形三元电池。通过计算将一定功率的加热电阻丝缠绕在位于电池模组中间位置的电池单体上，同时在该电池壳体侧面布置温感以监控温度；该电池单体相邻的电池上同样布置温感监控温度变化，将电池单体按动力电池总成的模组结构进行并联组装并充至满电；电池单体上的温感连接至温度巡检仪上，加热电阻丝两端通过导线分别与外接电源相连，加热回路通过继电器开关控制；闭合继电器持续加热电池单体，观察加热过程中该电池单体的反应，监控电池模组中单体的温度变化；当被加热电池单体发生失效，立即断开加热回路，结束试验；继续观察相邻电池单体的温度变化，若温度持续上升并发生失效，观察反应程度并立即用消防沙堆埋；若相邻电池无安全事故发生，则电池模组热失控安全性符合要求；试验电池模组如图2所示。

试验现场做好安全防护措施，试验过程摄像记录。

图2 热失控试验用电池模组装置图

3 三元材料动力电池热失控试验结果及分析

为有效验证电池单体在电池组内部发生内短路的热失控安全性，逐步开展从单层模组到多层模组的试验，同时确保试验在密闭环境下进行。

3.1 单层模组

如图3所示，加热电池单体过程中，安全阀打开泄压，此时为电池本身的安全保护启动，继续加热至单体发生爆炸后停止；观察模组中电池单体的温度变化，由于热量传递，周围电池温度缓慢上升最终达到平衡点后开始下降，未发生热失控反应。

图3 单层模组试验

图4 3层模组（最终装配结构）试验

单层电池模组经试验后未发生热失控，结合电池组结构，组装3个电池模块，通过拉杆、压条等紧固装配，模组间通过阻燃板防护，逐步改进试验环境模拟最终的密闭式结构。

3.2 多层模组

如图4所示，装配3个模组，被加热电池单体位于中间模组，左右两侧均为真实电池，在电池组壳体内部开展试验模拟实际使用状态。被加热电池单体失效时大量冒烟，无起火燃烧等安全事故发生，周围相邻电池温度上升，但未发生热失控，相邻模组温度基本正常；为充分验证安全性，增加电池模块单体并联的数量（电池组最终装配结构），并再次开展试验，加热至电池单体失效时，安全阀打开并大量冒烟，无热扩散，相邻模组温度小幅上升；3组电池模块的单只电池温升曲线如图5所示。

图5 试验过程温度变化曲线

如图5（c）所示中间模组，当加热单体至温度达到158℃时，电池发生失效，正极处瞬间大量泄压冒烟，15s内温度急剧上升至610℃后开始下降，周围电池壳体上的温感由于瞬间高温，检测到245℃的高温，但随后逐渐下降，无热失控发生。左右两边模块温度基本无变化，最高为19℃。通过在密闭环境下开展从单层到多层模块试验，本试验方法可有效验证单体内短路对模组热失控安全性的影响。

4 结束语

为有效验证三元18650高能量电池单体在电池模组中的热失控安全性，通过利用加热丝加热电池单体，分别开展了单层到多层模组的试验，结果表明本试验方法可有效模拟验证单体内部微短路事故对模组安全性的影响。

如何针对各种不同正负极材料及隔膜的动力电池热失控机理与试验方法开展研究，需求更定量的热失控数据及规律，是本文下一步的工作。

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5 结束语

利用中国民航大学飞机电源实验室拖动台测量发电机飞升曲线，实验证明，发电机在相同功率因数、不同负载（包括空载、25%、50%、75%）额定条件下，测得的飞升曲线基本相同；功率因数不同，测得飞升曲线稍有变化，但变化不大，曲线走势一致。可以证明，只要调压系统在电感负载或低功率因数下稳定，则在其他负载情况下也一定是稳定的[11]。因此测飞机发电机飞升曲线时，根据ISO1540——2006，功率因数按最低允许值0.6设定。

利用LabVIEW测得飞机发电机飞升曲线，并利用Matlab的系统辨识功能求取发电机近似的传递函数，方法安全可靠。发电机传递函数的建立为机载电源系统的稳定性理论分析以及发电机调压器的设计提供了重要的依据。

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Testing method study on thermal runaway safety of NCM batteries

WU Feichi，XIA Shunli，ZHAO Jiuzhi，QIN Liwei
（New Energy Vehicle Academy，Technical Center of Anhui JiangHuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

To ensure safe and reliable operation of electric vehicles and improve the safety of heat runaway in ternary dynamic batteries，a testing method for the safety of battery module structures has been proposed in accordance with the study on thermal runaway mechanism and experiments of battery packs，and with this method the influence which caused by micro-short circuit in single cell to peripheral batteries has been simulated.Test resultsdemonstrate that thermal runaway in single cell will not affect peripheral batteries and the above method can effectively verify the thermal runaway safety of batter modules that are misused and thus guarantee safe operation of electric vehicles.

battery module；thermal runaway；safety

A

：1674-5124（2015）05-0125-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.031

2014-08-12；

：2014-10-21

吴飞驰（1989-），男，福建晋江市人，研究方向为电动车动力电池。