為推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展，服務(wù)于成員單位技術(shù)研發(fā)需求，自成立以來(lái)，聯(lián)盟一直持續(xù)開(kāi)展整車(chē)及關(guān)鍵零部件前沿、共性技術(shù)研究工作，形成了大批研究成果，推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步。2023聯(lián)盟共立項(xiàng)共性技術(shù)課題22項(xiàng)，為推動(dòng)課題交流和成果共享，聯(lián)盟將持續(xù)發(fā)布在研課題研究進(jìn)展和成果，最大化發(fā)揮課題研究?jī)r(jià)值。

動(dòng)力電池加速老化安全評(píng)價(jià)研究

01研究目的

動(dòng)力電池加速老化安全評(píng)價(jià)研究課題由合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源有限公司厲運(yùn)杰博士承擔(dān)。本課題通過(guò)分析整車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)，確認(rèn)新能源車(chē)的運(yùn)行工況，制定對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況。在不改變失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度、充放電區(qū)間、充放電倍率等加速因子，制定標(biāo)準(zhǔn)工況的加速方法，快速獲取具有代表性的不同老化狀態(tài)電池。以國(guó)標(biāo)、行標(biāo)和企標(biāo)中安全測(cè)試方法為基礎(chǔ)，結(jié)合ARC熱失控、等效電阻內(nèi)短路法等安全測(cè)試方法，制定不同老化階段電池安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，完成不同老化階段電池安全性評(píng)估分析，有效評(píng)估鋰電池全生命周期的安全特性。

02研究進(jìn)展與階段性成果一、動(dòng)力電池的加速老化方案

1、方案制定

系統(tǒng)分析接近EOL階段的新能源整車(chē)運(yùn)行過(guò)程中高低溫工況使用比例、充放電倍率和使用SOC區(qū)間，提取新能源車(chē)運(yùn)行工況。依據(jù)整車(chē)運(yùn)行工況選擇充放電SOC區(qū)間為30-80%。高溫下，電芯的老化速度加快，基于企業(yè)規(guī)定的電池使用上限溫度（Tmax），選擇（Tmax-5）℃作為老化溫度。充放電倍率選取基于電芯仿真分析的最大充放電倍率，并在充放電過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化，若循環(huán)過(guò)程中溫度大于企業(yè)規(guī)定的上限溫度，則降電流測(cè)試。使用溫度、倍率、SOC區(qū)間綜合加速因子快速獲取具有代表性的不同老化狀態(tài)電池。

圖1 本課題的加速老化方案制定依據(jù)

2、加速有效性驗(yàn)證

分別選取了50只同型號(hào)磷酸鐵鋰材料體系電池和50只同型號(hào)三元材料體系電池開(kāi)展加速老化與正常老化對(duì)比試驗(yàn)；通過(guò)循環(huán)數(shù)據(jù)表明與正常老化試驗(yàn)相比，加速老化條件下的電芯容量衰減速率顯著提升，鐵鋰正常老化至90%SOH需要113天，加速老化至90%SOH僅需要43天，可節(jié)省61.83%的時(shí)間；三元正常老化至95%SOH需要70天，加速老化至95%SOH僅需要40天，可節(jié)省42.69%的時(shí)間；而且加速老化與正常老化后的DVA曲線(xiàn)基本重合（圖2），表明加速老化衰減機(jī)理與正常老化一致，說(shuō)明本課題中提供的加速老化方案并沒(méi)有改變電池老化機(jī)理。

圖2  加速老化有效性驗(yàn)證

表1  試驗(yàn)樣本量及不同體系老化至相同SOH可節(jié)省的時(shí)間

二、安全評(píng)價(jià)方法

選取磷酸鐵鋰體系和三元體系電池進(jìn)行ARC熱失控試驗(yàn)，如圖3、圖4所示，分別為L(zhǎng)FP體系和NCM體系的ARC熱失控溫度/電壓—時(shí)間變化曲線(xiàn)、溫升速率變化曲線(xiàn)圖。通過(guò)對(duì)比分析電池?zé)崾Э剡^(guò)程中自產(chǎn)熱起始溫度T1（LFP：116.5℃，NCM：65.8℃），熱失控觸發(fā)溫度T2（LFP：159.4℃，NCM：142.6℃）和熱失控最高溫度T3（LFP：364.3℃，NCM：369.6℃）來(lái)評(píng)價(jià)電池的安全特性，三元電池在熱失控過(guò)程中的自產(chǎn)熱起始溫度和熱失控觸發(fā)溫度遠(yuǎn)低于鐵鋰電池相應(yīng)溫度，可通過(guò)比較自產(chǎn)熱起始溫度T1，熱失控觸發(fā)溫度T2和熱失控最高溫度T3來(lái)評(píng)價(jià)不同老化狀態(tài)電池的安全性。

圖3 LFP體系A(chǔ)RC熱失控溫度/電壓--時(shí)間變化曲線(xiàn)和熱失控溫度--溫升速率變化曲線(xiàn)

圖4. NCM體系A(chǔ)RC熱失控溫度/電壓--時(shí)間變化曲線(xiàn)和熱失控溫度--溫升速率變化曲線(xiàn)

2、內(nèi)短路

為進(jìn)一步有效評(píng)價(jià)老化后電池的安全，開(kāi)發(fā)了新型內(nèi)短路評(píng)測(cè)方法，其中短路阻值及電流可控，短路熱源產(chǎn)熱可控。分別進(jìn)行了30組鐵鋰體系電池和30組三元體系電池的內(nèi)短路試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，LFP電池在電流為12A時(shí)觸發(fā)熱失控，計(jì)算所得觸發(fā)電池?zé)崾Э氐呐R界單位面積產(chǎn)熱功率為1.310 W/mm2；NCM電池在電流為9A時(shí)觸發(fā)熱失控，計(jì)算所得觸發(fā)電池?zé)崾Э氐呐R界單位面積產(chǎn)熱功率為0.737 W/mm2。熱源面積越大，所需觸發(fā)電池?zé)崾Э氐呐R界單位面積產(chǎn)熱功率越??；熱源面積相同時(shí)，觸發(fā)NCM電池?zé)崾Э氐呐R界單位面積產(chǎn)熱功率值小于LFP電池對(duì)應(yīng)的值，可證明LFP電池的安全性更高。如圖5所示，根據(jù)內(nèi)短路試驗(yàn)方法計(jì)算特定面積觸發(fā)電池?zé)崾Э氐呐R界熱源單位面積產(chǎn)熱功率，通過(guò)該值可以評(píng)價(jià)不同老化狀態(tài)電池的安全性能。

圖5. LFP和NCM體系電池內(nèi)短路觸發(fā)電池?zé)崾Э嘏R界阻值

3、過(guò)充電和加熱

GB 31485-2015中過(guò)充電測(cè)試以1C的電流恒流充電至電壓達(dá)到企業(yè)技術(shù)條件中規(guī)定的充電終止電壓1.5倍或充電時(shí)間達(dá)1h后停止充電，無(wú)法直接判斷熱失控溫度等關(guān)鍵參數(shù)，因此本課題中將過(guò)充截止條件調(diào)整為過(guò)充直至熱失控，試驗(yàn)電池過(guò)充電測(cè)試過(guò)程中溫度/電壓-時(shí)間如圖6(a)所示，其中關(guān)鍵參數(shù)熱失控觸發(fā)溫度為81.9℃，峰值溫度為278.7℃，這兩項(xiàng)指標(biāo)可以用于判定不同老化狀態(tài)電池過(guò)充的安全性。

圖6  (a) 過(guò)充電測(cè)試過(guò)程中溫度/電壓-時(shí)間，(b) 加熱測(cè)試過(guò)程中溫度/電壓-時(shí)間曲線(xiàn)對(duì)比

GB 38031-2020中加熱測(cè)試步驟為“溫度箱按照5℃/min的速率由試驗(yàn)環(huán)境溫度升至130 ℃±2 ℃，并保持此溫度30 min后停止加熱?！?，根據(jù)部分電池試驗(yàn)結(jié)果，130℃加熱30min并未觸發(fā)熱失控，為準(zhǔn)確判定電池單體的安全性，確認(rèn)單體的熱失控觸發(fā)溫度，本課題中將溫箱加熱測(cè)試優(yōu)化為梯度加熱：130℃±2 ℃-150℃±2 ℃-180℃±2 ℃。試驗(yàn)電池加熱測(cè)試過(guò)程中溫度/電壓-時(shí)間如圖6(b)所示，其中內(nèi)短路溫度為148℃，熱失控觸發(fā)溫度為193.3℃，峰值溫度為330.7℃，這三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)可以用來(lái)判定不同老化狀態(tài)電池加熱的安全性。

4、外短路和擠壓

研究對(duì)比BOL和EOL的電池的安全性能，進(jìn)行了擠壓（參照GB/T 31485-2015 ）和短路（參照GB/T 38031-2020）測(cè)試。

BOL和EOL電池在擠壓過(guò)程中電壓沒(méi)有變化，電池溫度也無(wú)明顯變化。差異點(diǎn)在BOL電池?cái)D壓停止條件是擠壓力先到達(dá)200kN，而EOL電池是因?yàn)樽冃瘟康竭_(dá)30%（圖7），EOL電池因內(nèi)部氣體有鼓脹（EOL電池厚度比BOL電池厚2.2mm左右），所以EOL電池先擠壓的是電池內(nèi)氣體，之后才是卷芯。所以相同擠壓力EOL電池變形量更大。

圖7  擠壓測(cè)試過(guò)程中EOL和BOL擠壓力-時(shí)間曲線(xiàn)與擠壓變形量-時(shí)間曲線(xiàn)對(duì)比

BOL電池短路接通后電壓立刻降至0V，EOL電池立刻降至1.6V左右，且持續(xù)200s左右后降至0V；BOL電池短路過(guò)程中未開(kāi)閥，EOL電池正常開(kāi)閥，但EOL溫升更大(圖8)。因?yàn)锽OL電池外部短路測(cè)試接通4秒后，轉(zhuǎn)接片熔斷；與BOL電池相比，EOL電池外部短路后，未能熔斷轉(zhuǎn)接片，放電時(shí)間明顯延長(zhǎng)，熱量累計(jì)使得負(fù)極柱溫度更高。

圖8  外短路測(cè)試過(guò)程中EOL和BOL電壓-時(shí)間、溫度-時(shí)間曲線(xiàn)對(duì)比

03、下一步工作計(jì)劃