高溫引起的動力電池熱失效測試分析

1 前言

       鋰離子電池在充?放電過程中，會發生化學反應，并產生熱量，使電池溫度升高?當產生熱量的速度大于散熱速度，溫度就會持續上升?若溫度上升達到反應物的著火點就會發生燃燒，進而使溫度進一步升高，加速鋰離子電池內活性物質的反應?然后產生大量的氣體，電池箱因內壓急劇升髙而引起爆炸，由此可見，鋰離子電池的熱失控是由熱量蓄積不能及時擴散而引起的?

       本試驗選擇電池模組內的某一顆電芯捆綁PTC加熱片，通過外部供電進行加熱的方式觸發單體電芯熱失控?

2 試驗準備

       本試驗選用電芯為18650型號，共8個模組串聯組成?因電芯電量接近滿電量時，更容易發生熱失效，所以在試驗開始前將模組充電至4.0V以上，隨后將模組放置于電池箱體內?

       在第8串電芯模組的中間位置，選取一顆電芯用PTC加熱片包裹，作為觸發熱失效的目標電芯?將信號線束，電壓?溫度?電源線等引至觀察室內，隨后電池箱體封蓋，插件等用堵頭封死，模擬電池箱是一個封閉的環境?如圖1所示?

3 試驗方法

       在觀察室內，通過控制穩壓電源，對電池模組進行小電流(6.5A)恒流充電，同時對加熱膜進行加熱，使用電腦上位機對模組的電壓?溫度等數據進行檢測。通過視頻監控觀察電池箱體的狀態變化?

       若電池箱體發生煙霧，或檢測的電壓?溫度數據明顯異常時，證明熱失控已發生?關閉穩壓電源開關，停止對電池模組的充電及加熱?需繼續觀察電池箱狀態是否發生明火?爆炸等，等待反應結束后，將電池箱體轉移到室外完全區域?

4 試驗結果

4.1 電池箱體拆解

       箱體上蓋有明顯鼓包，上蓋有髙溫灼燒痕跡，箱體內部電池模組位置無明顯變化，電芯排列基本完好，未發現有嚴重的散亂等現象?取出箱體中電芯，發現多處存在有側壁爆開?鋼殼熔融粘連?表面凹坑等現象，發生位置無明顯規律?拆解過程如圖3?

4.2 電芯解剖

       針對電芯表面熔毀?電芯側壁凸起?電芯側壁熔融?電芯鋼殼無明顯異常現象各取樣1只解剖，如圖4所示?通過對電芯拆解可以確認，現有電池包內總體發生失效后，電芯損傷現象種類較多且無明顯規律?

                               圖5監測數據                                                     圖6并聯電池模阻熱失控蔓延示意圖

4.3 試驗數據分析

測試模組監控數據整理如圖5所示?

       失效發生后，監控的單體電壓數據，成多段“V”字型下降?其原理為，多只電芯并聯的模組內，熱失控在電池Ball內部蔓延，Batl電芯發生短路，內阻不斷減少，其他并聯電芯對Batl放電，所以電壓下降?當Batl完全熱失控，電化學體系崩潰，相當于斷路，內阻變大，其他并聯電芯的短路電流為0，模組電壓回升，由于SOC損失，回升電壓小于初始電壓?并聯模組內，連續的單只電芯失效，造成模組電壓連續的“V”字型下降?

       a) 14:24:59，電壓有輕微波動，先下降后回升，第一次下降約32mV，此時電芯已發生失效，電池包仍在充電;

       b) 14:26:39，充電電流為0A，監測的8個模組電壓值有所回落;

       c) 14:26:59，目標模組電壓出現明顯的“V”字型下降，其他模組電壓維持正常狀態;

       d) 14:27:04，8個模組電壓均連續出現“V”字型下降，且數據曲線趨勢相似，說明熱失效擴散到了全部的8個模組?因目標模組先于其他模組發生單體電芯熱失效，所以目標模組陸續失效的電芯個數多于其他模組，從數據上表現為，其他串模組電壓波動的幅度小于目標模組;e.l4:28:49，熱失效已完全嫌發?不可控，不同的模組隨機失效的電芯個數不同，導致電壓數據有所差異;

       f) 14:30:19，監控數據全部異常，信號失效斷開?

5 結束語

       本次測試沒有發生明火現象，從熱失控開始到結束，持續時間約5min?

       通過測試驗證了，單體電芯熱失效可以引發模組及電池包整體發生連鎖熱失效反應?且根據采集的數據分析，在充電過程中，第一次表現出電壓有微小波動時，單體電芯熱失效已經開始?但因未達到BMS告警閥值，并未上報故障?

       改善建議，可以通過優化BMS采集處理數據的算法，S別出正常的壓降波動和由于電芯發生了熱失效而產生的電壓波動，及時上報故障預警及切斷髙壓回路等措施，減小熱失控進一步擴散的可能?

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