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動(dòng)力電池?zé)崾Э販y(cè)試及熱防護(hù)研究分析

2020-11-15 20:35:48·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
文章來源：奇瑞新能源汽車股份有限公司1引言本文通過對(duì)目前市面上普遍使用的大容量的動(dòng)力電池及對(duì)應(yīng)的模組在熱失控中特性參數(shù)的變化分析，以期望在動(dòng)力電池組設(shè)
文章來源：奇瑞新能源汽車股份有限公司
1引言
本文通過對(duì)目前市面上普遍使用的大容量的動(dòng)力電池及對(duì)應(yīng)的模組在熱失控中特性參數(shù)的變化分析，以期望在動(dòng)力電池組設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中采取相應(yīng)的防護(hù)措施時(shí)起到參考作用。
2  實(shí)驗(yàn)
2.1  實(shí)驗(yàn)對(duì)象
本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為高比能量的 51Ah 三元軟包動(dòng)力電池及 2P6S 標(biāo)準(zhǔn)模組。
2.2  實(shí)驗(yàn)設(shè)備
絕熱加速量熱儀 ARC、多路溫度記錄儀、 300W 加熱膜。
2.3  實(shí)驗(yàn)方法
電芯測(cè)試：
（a）將電芯以 0.33C 恒流恒壓充電至 100%SOC狀態(tài)，常溫靜置≥ 4 小時(shí)；
（b）在電芯表面利用導(dǎo)熱膠固定多個(gè)溫度采集點(diǎn)；（c）利用 ARC 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：以 0.05℃ / min，加熱至 55℃后，再以 0.05℃ /min 加熱， 每升高 5℃，等待 30 ～ 60min，若檢測(cè)到電池 溫升速率為0.02℃ /min，則電芯自生熱開始。
模組測(cè)方案：
（a）將測(cè)試模組以 0.33C 恒流充電至 100%SOC狀態(tài)，常溫靜置≥ 6 小時(shí)；（b）利用 300W 的加熱膜給觸發(fā)電芯進(jìn)行加熱；（c）記錄模組電壓及溫度變化。
3 結(jié)果與討論
3.1  電芯 ARC 測(cè)試
本文選取一款三元軟包電芯進(jìn)行單體的熱失控實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估單體電芯熱失控時(shí)溫度及電壓等特性參數(shù)的演變規(guī)律。
 
圖 1(a) 中為觸發(fā)電芯的簡(jiǎn)易圖，其中在電芯的表面共計(jì)布置了 7 溫度傳感器，分別為電芯的正負(fù)極極耳處（T1 /T5 ）、電芯大面中軸 線 1/4 處（T 2/T23/T4 ）和電芯側(cè)面中心處 （T6 /T7）.
圖 1(a) 為觸發(fā)電芯的溫度和電壓隨時(shí)間的變化，圖1(b) 為電芯大面 T3 的溫升速率。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在溫度小于 55℃范圍內(nèi)電芯的溫度隨著加熱的進(jìn)行逐漸 升高，在加熱 - 等待 - 搜索過程中當(dāng)溫度超過 80℃時(shí)電芯出現(xiàn)了自生熱現(xiàn)象。
 
隨后當(dāng)溫度大于 150℃時(shí)，電池的溫升速率已達(dá)到1℃ /min。當(dāng)電池溫度達(dá)到 200℃時(shí)，溫升 速率已高達(dá) 1℃ /S，并還在持續(xù)上升，最終 溫度發(fā)生突升且電壓瞬間下降至 0V，電芯熱失控發(fā)生。
從記錄的數(shù)據(jù)來看，電芯熱失控時(shí)最高溫度達(dá)到725℃，釋放的能量相對(duì)來 說不高，電芯的殘?jiān)脖Ａ粝鄬?duì)完整，總體 質(zhì)量損失約 30%。從熱失控機(jī)理來說，電芯主要是由于外因或內(nèi)因?qū)е码娦緝?nèi)部產(chǎn)熱并逐漸在內(nèi)部積聚，進(jìn)而誘發(fā)了一系列的副反應(yīng)，而這些副反應(yīng)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部的熱量積聚，壓力增大，最終導(dǎo)致鋰離子電池起火爆炸，形成嚴(yán)重的熱安全問題。
因此，進(jìn)行電芯的熱失控評(píng)估，在熱失控監(jiān)測(cè)策略及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)時(shí)具有必要的指導(dǎo)意義。
3.2　模組熱失控測(cè)試
本文通過300W 加熱膜觸發(fā)模組最外側(cè)單顆電芯，以便研究當(dāng)單體或少量電池?zé)崾Э赜|發(fā)后能量向外界蔓延的情況，以及其帶來的次生安全問題。此外，溫度傳感器的布置如圖2(a) 所示，每2P1S 模塊中兩顆電芯之間的中心處布置一個(gè)溫感，共計(jì)6 個(gè)溫感（TS1~TS6），T 加熱膜為加熱膜的溫度，NTC1和NTC2 為模組自帶的溫感，其通過BMS 進(jìn)行采集。
 
從圖2(b) 所示的溫度變化趨勢(shì)可以觀察到，觸發(fā)電芯在200℃左右時(shí)溫度表現(xiàn)出急劇上升的趨勢(shì)。
 
此外，測(cè)試時(shí)觀察到模組外部鋁殼體出現(xiàn)膨脹，并從端板處釋放大量的煙霧，并在3S 后端板處出現(xiàn)約45o 方向的噴射火焰。從熱蔓延的情況來說，從TS1到TS6 時(shí)間間隔分別為61S、36S、18S、25S、42S，每蔓延至一串電芯，則模組間歇性地向外界釋放能量。從模組自帶的NTC2（采集第2 串）溫度上升趨勢(shì)來看，其溫度達(dá)到200℃。的時(shí)間點(diǎn)略晚于觸發(fā)發(fā)電芯約25S，且溫度上升相對(duì)平緩，可能是由于向外界散熱造成的。
NTC1（采集第4 串）溫度上升點(diǎn)幾乎與T3 保持一致。
另外，從失控模組的殘?jiān)鼇砜?，除部分塑料件熔融外，整體金屬框架保持完整狀態(tài)。從模組內(nèi)部電芯熱蔓延的情況來說，可以在模組的第2 串和3 串、4 串和5 串增加一定厚度的氣凝膠，可以有助于延緩熱量的傳遞。
可以根據(jù)模組熱失控時(shí)熱量的噴射方向及溫度情況，在電池包上殼體內(nèi)表面可以適當(dāng)噴涂一定厚度的隔熱材料，當(dāng)然該涂層不易過厚，否則不利于電池包正常情況下的散熱。
4　結(jié)語
動(dòng)力電池的熱安全性能提升，需從電芯的熱穩(wěn)定性、熱蔓延傳遞的方向、模組熱失控的能量釋放等多維度的分析，才可以有效地指導(dǎo)系統(tǒng)的熱擴(kuò)散防護(hù)設(shè)計(jì)及熱預(yù)警策略的制定。
本文通過電芯和模組的層級(jí)的實(shí)驗(yàn)，分析了電芯和模組熱失控及熱擴(kuò)散的發(fā)生及演變規(guī)律，便于后期系統(tǒng)層級(jí)的熱防護(hù)設(shè)計(jì)。
 
 
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