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磷酸鐵鋰動力電池過充安全特性試驗研究
摘 要：對方形磷酸鐵鋰動力電池進(jìn)行過充熱失控試驗，總結(jié)出磷酸鐵鋰電池過充熱失控的四個階段，為電池系統(tǒng)過充熱失控的預(yù)測與防控提供參考。
關(guān)鍵詞：動力電池；磷酸鐵鋰；過充熱失控；預(yù)測與防控
電動汽車自燃、起火、爆炸的事故時有發(fā)生［１－４］ ，絕大部分是由電池故障造成的。引發(fā)電動汽車電池安全事故的主要因素包括過充、過放、機(jī)械損傷、電池老化、電池過溫等，其中電池過充是發(fā)生熱失控事故的高風(fēng)險因素［２］ 。本文研究在新能源汽車上廣泛應(yīng)用磷酸鐵鋰電池因過充誘發(fā)熱失控的外特征與內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理之間的關(guān)系。
１ 過充試驗
１.１ 試驗準(zhǔn)備
試驗樣品為新的方形鋁殼磷酸鐵鋰單體電池，正極材料為磷酸鐵鋰，負(fù)極材料為石墨。電池能量密度為 １６４.８ Ｗｈ ／ ｋｇ，額定容量為 ２０６ Ａｈ。正常工作電壓范圍為 ２. ５～３.６５ Ｖ；充電和放電工作溫度范圍分別為 ０～５５ ℃ 、－２０～５５ ℃ 。
如圖 １ 所示，在單體電池的正表面中心①、側(cè)面中心②、底面中心③、負(fù)極④、正極⑤、防爆閥⑥位置布置溫度傳感器，記錄試驗過程的溫度。試驗過程中采集電池的電壓。
為保證電池的過充試驗數(shù)據(jù)與實際情況接近，單體電池的正表面和背表面用夾具固定，防止過充時內(nèi)部產(chǎn)氣引起電池的結(jié)構(gòu)變化。夾具表面采用包裹隔熱棉的方式進(jìn)行隔熱，減少熱量散失，模擬電池包的實際環(huán)境［４］。
１.２ 試驗方法及結(jié)果
為研究電池過充過程中電壓、溫度和直流內(nèi)阻（ＤＣＲ）的變化情況，進(jìn)行以下試驗［５－７］ ，方法及結(jié)果如下：
１） 單體電芯定容測試。室溫下，采用 ２０６ Ａ 的電流恒流放電至 ２. ５ Ｖ；然后采用 ２０６ Ａ 的電流充電至 ３.６５ Ｖ，之后轉(zhuǎn) ３.６５ Ｖ 恒壓充電至充電電流小于１０. ３ Ａ 時停止，擱置 １ ｈ；采用 ２０６ Ａ 的電流恒流放電至 ２.５ Ｖ，記錄電池的放電容量；重復(fù)以上測試步驟 ３次。試驗結(jié)果：單體電池容量分別為 ２０６.５ Ａｈ、２０６.７Ａｈ、２０７. １ Ａｈ，符合標(biāo)稱容量要求。
２） 過充熱失控測試。室溫下，單體電池初始ＳＯＣ 為 ０，在 １ Ｃ 電流下進(jìn)行恒流過充，采用充電 ６ｍｉｎ、靜置 １０ ｓ 交替的方式進(jìn)行，循環(huán) １２ 次，直至４ ５６４ ｓ 時電池的溫度和電壓均急劇上升，電池內(nèi)部開始發(fā)生熱失控，充電結(jié)束時間為 ４ ６８０ ｓ。記錄試驗全過程的電池表面溫度如圖 ２ 所示，熱失控后，負(fù)極最高溫度為 ３４０ ℃ ，正極最高溫度為 ２７２. ６ ℃ ，防暴閥最高溫度為 ８４.４ ℃ ，正表面最高溫度為 ２７８. ６℃ ，側(cè)面最高溫度為 ２２２.６ ℃ ，底部最高溫度為 １８８.５℃ ；電壓隨試驗時間變化的情況如圖 ３ 所示，過充電壓最高達(dá)到 ３２ Ｖ。
３） 為進(jìn)一步了解過充試驗過程中單體電池內(nèi)部
的變化規(guī)律，用單體電池直流內(nèi)阻來表征過充試驗過程中單體電池內(nèi)部的變化。電池直流內(nèi)阻測試方法參考 ＧＢ ／ Ｔ ３１４６７.２—２０１５ 中 ７.２ 條［８］ ，試驗結(jié)果如圖 ４ 所 示， 直 流 內(nèi) 阻 變 化 具 有 規(guī) 律 性：ＳＯＣ 低 于１００％，電池的直流內(nèi)阻變化不明顯；ＳＯＣ 高于 １００％，直流內(nèi)阻直線增大，ＳＯＣ 在 １１７％時直流內(nèi)阻達(dá)到最大值 １
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