劉曙光，金 翼，劉家亮，傅 凱，劉 皓，官亦標(biāo)

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

在多種儲(chǔ)能技術(shù)中，電池儲(chǔ)能以其技術(shù)進(jìn)步快、配置靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)成為最有應(yīng)用前景的儲(chǔ)能技術(shù)分支。儲(chǔ)能應(yīng)用對(duì)電池的總體要求是高安全、長(zhǎng)壽命、低成本，其中高安全是儲(chǔ)能電池規(guī)模化應(yīng)用的基本要求?，F(xiàn)有儲(chǔ)能示范工程中應(yīng)用的電池體系主要是鋰離子電池。由于鋰離子電池使用可燃性有機(jī)電解液，相對(duì)鉛酸電池、液流電池等水體系電池來說，鋰離子電池的安全性更加需要關(guān)注[1]?，F(xiàn)階段針對(duì)鋰離子儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的安全保障主要是通過加強(qiáng)監(jiān)控、強(qiáng)化防護(hù)措施等被動(dòng)安全方式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還需嚴(yán)格限定使用條件，加強(qiáng)運(yùn)行管理。而要實(shí)現(xiàn)上述保障措施的有效、可靠，則必須加深對(duì)鋰離子電池安全問題發(fā)生機(jī)理和內(nèi)在原因的認(rèn)識(shí)，了解發(fā)生安全問題的促發(fā)條件及安全臨界值。

鋰離子儲(chǔ)能電池安全問題的外在表現(xiàn)是發(fā)煙、燃燒、爆炸等，造成這些現(xiàn)象的直接原因是電池?zé)崾Э豙2]。因此，深入認(rèn)識(shí)鋰離子電池安全性就必須系統(tǒng)地研究鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，了解熱失控的敏感因素、促發(fā)條件及閾值，同時(shí)具備研究和評(píng)價(jià)熱失控的相關(guān)技術(shù)和能力，才能為儲(chǔ)能電池系統(tǒng)安全運(yùn)行管理提供參考依據(jù)。

目前針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐难芯恐饕譃閮蓚€(gè)方向：①對(duì)采用新體系、新材料、新技術(shù)的鋰離子電池進(jìn)行熱失控行為和原理研究[3-7]；②對(duì)成熟的商業(yè)化鋰離子電池單體及模塊級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行熱模擬及熱失控行為研究[8-11]。但是針對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用工況下鋰離子電池的熱失控研究卻很少，因此本文試圖從鋰離子電池應(yīng)用于儲(chǔ)能工況的環(huán)境條件和特點(diǎn)出發(fā)，分析其可能的熱失控促發(fā)因素，研究對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法，并據(jù)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)。

1 熱失控促發(fā)條件理論研究

鋰離子電池?zé)崾Э剡^程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)交互反應(yīng)歷程，至今仍沒有公認(rèn)的理論體系闡明鋰離子電池?zé)崾Э氐恼w演變過程和反應(yīng)機(jī)理。因此，也未見針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э卮侔l(fā)條件的理論研究框架。目前，各類研究論文和報(bào)告中一般普遍認(rèn)為電池?zé)崾Э胤譃槿缦聨讉€(gè)步驟：①促發(fā)熱失控的條件累積并造成電池局部或整體出現(xiàn)明顯的非正常發(fā)熱；②電池局部或整體瞬時(shí)過熱，電解液發(fā)生氣化或分解產(chǎn)生大量氣體；③氣體聚集使電池內(nèi)部壓力增大，電池出現(xiàn)鼓脹；④氣體沖破電池殼體，攜帶少量液態(tài)電解質(zhì)飛沫及活性電極材料微末噴射至空氣中；⑤根據(jù)噴射出的氣液/氣固混合體溫度及環(huán)境中氧含量不同發(fā)生冒煙、著火甚至爆炸；⑥電池表面溫度急劇上升，并達(dá)到熱失控溫度極值點(diǎn)；⑦冒煙、著火現(xiàn)象逐漸緩和，電池溫度逐漸下降，熱失控過程結(jié)束。

由上述分析可以看出，電池?zé)崾Э仉m然過程復(fù)雜，但本質(zhì)上主要是一個(gè)由物理或化學(xué)發(fā)熱過程造成的密閉體系中瞬時(shí)過熱的現(xiàn)象[12-13]。電池本身溫度和發(fā)熱現(xiàn)象的產(chǎn)生可以歸咎于內(nèi)外兩層因素。內(nèi)部因素主要考慮其作為物理電源的歐姆電阻對(duì)應(yīng)的焦耳熱，還有其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)熱；外部因素主要考慮其所處環(huán)境的溫升[14]。因此，造成電池?zé)崾Э氐拇侔l(fā)條件必須能夠使電池產(chǎn)生局部或整體的熱量累計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋰離子電池，尤其是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池已經(jīng)制訂了一些安全性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但針對(duì)本文研究的鋰離子儲(chǔ)能電池來說，要在借鑒已有的一些研究結(jié)果和檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車對(duì)電池的應(yīng)用環(huán)境和要求的差別。

動(dòng)力電池安全檢測(cè)中涉及的所有促發(fā)條件均由電動(dòng)汽車工況條件總結(jié)得到，如過充、過放電是模擬電池在充電和車載行駛過程中出現(xiàn)的電學(xué)濫用條件，跌落是模擬換電模式下電池箱更換過程中摔落的情況，短路是模擬使用、維護(hù)中操作失誤或道路交通事故造成外短路情況，擠壓、針刺均是模擬電動(dòng)汽車在出現(xiàn)道路交通事故時(shí)遭遇碰撞的情況，加熱試驗(yàn)是模擬電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)失效或電池處于其它過熱環(huán)境中的情況，因此，動(dòng)力電池安全試驗(yàn)促發(fā)條件設(shè)置的核心是模擬電動(dòng)汽車這一具有使用及維護(hù)頻率高、使用工況復(fù)雜、不可預(yù)知的人為因素多等顯著特點(diǎn)的應(yīng)用環(huán)境。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外電池儲(chǔ)能試驗(yàn)基地及其它規(guī)模化儲(chǔ)能應(yīng)用示范工程中的現(xiàn)有工況進(jìn)行總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能應(yīng)用的工況環(huán)境與電動(dòng)汽車差別較大，其顯著特點(diǎn)是使用場(chǎng)所固定、工況環(huán)境較為溫和、不可預(yù)見因素較少，同時(shí)電池?cái)?shù)量巨大（圖1）。另外，儲(chǔ)能應(yīng)用的工況現(xiàn)場(chǎng)人員較少，且一般是具備專業(yè)操作技能的工作人員，處置得當(dāng)情況下安全事故對(duì)人身產(chǎn)生傷害的概率不高，但由于儲(chǔ)能電站配置的電池?cái)?shù)量巨大、容量很高，因此如果預(yù)警不及時(shí)、處置不合理，則可能發(fā)生波及整體系統(tǒng)的連鎖災(zāi)害，由此對(duì)局部電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊，并引發(fā)嚴(yán)重的間接危害。因此，必須針對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用工況特點(diǎn)和要求對(duì)電池?zé)崾Э卮侔l(fā)條件進(jìn)行研究，提出針對(duì)性的安全檢測(cè)要求和實(shí)驗(yàn)條件。

圖1 1 MW/1 MW·h 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.1 1 MW/1 MW·h ESLIB system

綜上所述，由于鋰離子儲(chǔ)能電池系統(tǒng)固定于一個(gè)室內(nèi)環(huán)境中使用，工況環(huán)境較為溫和、不可預(yù)見因素較少，但電池?cái)?shù)量巨大，這不同于電動(dòng)汽車等其它工況。電動(dòng)汽車在運(yùn)行中存在多種不確定性因素，如跌落、擠壓、穿刺、短路等均可能發(fā)生，但儲(chǔ)能工況下不存在這些不確定性因素。所以針對(duì)儲(chǔ)能工況，應(yīng)主要考慮電池在過充電、過放電、熱沖擊和短路促發(fā)條件下的熱失控現(xiàn)象。同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)均設(shè)置了嚴(yán)格的電壓范圍和預(yù)警范圍，出現(xiàn)安全事故的概率較低，但是一旦出現(xiàn)預(yù)警失靈、處置不當(dāng)?shù)惹闆r則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

2 熱失控關(guān)鍵參數(shù)及閾值研究

前文已提出，儲(chǔ)能應(yīng)用工況下，鋰離子電池?zé)崾Э刂饕紤]的促發(fā)條件是過充電、過放電、短路和熱沖擊等。下文對(duì)這4 方面的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)條件及測(cè)試參數(shù)分別進(jìn)行分析。

2.1 過充電、過放電促發(fā)條件

對(duì)于儲(chǔ)能電池系統(tǒng)來說，由于整體控制系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)均設(shè)置了嚴(yán)格的使用電壓范圍和預(yù)警范圍，因此實(shí)際上出現(xiàn)嚴(yán)重過充電或過放電的概率較低。但是，考慮到所有控制及保護(hù)系統(tǒng)全部失靈的極端情況出現(xiàn)時(shí)，仍需要對(duì)這類電學(xué)促發(fā)條件引發(fā)的熱失控后果進(jìn)行研究和分析。而其對(duì)應(yīng)的電壓范圍可以參照動(dòng)力電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15-19]中的電壓范圍，即過放電電壓為0 V，過充電電壓為10 V。

電池過充電、過放電促發(fā)條件的實(shí)驗(yàn)要求主要是一套電壓范圍可調(diào)的恒壓電源，同時(shí)配置一臺(tái)防爆試驗(yàn)箱。防爆試驗(yàn)箱內(nèi)應(yīng)配置溫度監(jiān)控裝置。電池爆炸燃燒一般溫度可達(dá)600～800 ℃，考慮留有一定余量的情況下，溫度傳感器可采樣范圍應(yīng)不低于900 ℃。

2.2 短路促發(fā)條件

在短路實(shí)驗(yàn)中，設(shè)備主要控制參數(shù)為短路電流，只有當(dāng)短路電流能夠滿足實(shí)驗(yàn)最大電流要求時(shí)，設(shè)備才能提供不同電壓等級(jí)的電池所對(duì)應(yīng)的不同短路電流，保證電池接近短路實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備正負(fù)極由導(dǎo)線短接時(shí)，短路電流計(jì)算公式為

短路設(shè)備（含導(dǎo)線）電阻一般為4 mΩ 左右，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室近年涉及到的電池測(cè)試樣品，進(jìn)行理論短路電流計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 多種鋰離子儲(chǔ)能電池理論短路電流Table 1 Thetheory values of short circuit current of variety ESLIB

由此可見，設(shè)備短路電流應(yīng)至少達(dá)到1000 A。考慮到以后會(huì)涉及到電池內(nèi)阻更小、電壓更高的電池，所以短路設(shè)備可承受最大電流應(yīng)達(dá)2000 A。另出于實(shí)驗(yàn)人員的安全考慮，同樣需要配置防爆試驗(yàn)箱。另外，對(duì)于短路實(shí)驗(yàn)來說，最重要的監(jiān)測(cè)參數(shù)為電池溫度，因此，還應(yīng)配置一套溫度采集裝置，采集溫度范圍應(yīng)不低于900 ℃。

2.3 熱促發(fā)條件

在動(dòng)力電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15-19]中，加熱促發(fā)條件實(shí)驗(yàn)一般是將電池放置于某一溫度下，并擱置一段時(shí)間。這一實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置主要考慮到電動(dòng)汽車應(yīng)用工況。而儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的特點(diǎn)是電池?cái)?shù)量巨大，因此，當(dāng)某組電池已經(jīng)出現(xiàn)過熱情況時(shí)，處于該組中央位置的電池實(shí)質(zhì)上是處于一個(gè)熱密閉環(huán)境中，也就是絕熱環(huán)境中。所以，針對(duì)這一情況的加熱模擬實(shí)驗(yàn)也需要在絕熱環(huán)境中進(jìn)行。

圖2是以絕熱加速量熱儀（ARC）對(duì)一個(gè)典型的鈦酸鋰電池進(jìn)行的熱失控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]。由圖中可以看出，電池自160 ℃左右開始便發(fā)生了持續(xù)的放熱反應(yīng)，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)3 min 的反應(yīng)過程，最終電池峰值溫度達(dá)到860 ℃。而由圖3 可以看出，在電池持續(xù)放熱過程中，其溫度變化速率最快的階段出現(xiàn)在120～180 ℃，因此，可以認(rèn)為電池的主要熱失控溫度即在此溫度區(qū)間。而對(duì)應(yīng)的加熱試驗(yàn)設(shè)備，其溫度工作范圍也必須達(dá)到此溫度，才能保證準(zhǔn)確模擬電池?zé)崾Э貙?duì)應(yīng)的溫度環(huán)境參數(shù)。同時(shí)，同樣需要配置防爆試驗(yàn)箱和溫度采集裝置，由絕熱試驗(yàn)中電池?zé)崾Э貥O值溫度可以看出，溫度采集和監(jiān)測(cè)裝置的參數(shù)范圍應(yīng)至少達(dá)到900 ℃。

圖2 鈦酸鋰電池ARC 實(shí)驗(yàn)[8]Fig.2 The curve of lithium-titanate battery ARC test[8]

圖3 溫度與溫升速率對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線Fig.3 The curve of temperature and the rate of temperature rise

3 熱失控檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э卮侔l(fā)條件、閾值研究結(jié)果，參考現(xiàn)有的一些通訊類及電動(dòng)汽車鋰離子電池的安全性標(biāo)準(zhǔn)[15-19]，熱失控促發(fā)條件大概可分為電濫用、機(jī)械濫用和熱濫用。但這些促發(fā)條件中，并非所有條件都有對(duì)應(yīng)的檢測(cè)值（閾值），多數(shù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)只以是否燃燒作為定性檢測(cè)結(jié)果，而無定量值?，F(xiàn)有的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)可作為參考依據(jù)，但并不能完全照搬套用，必須根據(jù)儲(chǔ)能應(yīng)用對(duì)電池安全性的特殊需求并結(jié)合儲(chǔ)能應(yīng)用工況條件特點(diǎn)對(duì)這些已有檢測(cè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行篩選、優(yōu)化和確定。結(jié)合儲(chǔ)能應(yīng)用工況，本文重點(diǎn)關(guān)注電濫用中的過充過放、機(jī)械濫用中的短路、熱濫用中的熱沖擊等電池?zé)崾Э卮侔l(fā)條件。

所以鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)至少需要包括用于理想環(huán)境下熱失控關(guān)鍵參數(shù)研究的ARC 設(shè)備、用于對(duì)電池過充或過放實(shí)驗(yàn)的設(shè)備、電池短路實(shí)驗(yàn)設(shè)備和電池?zé)釠_擊實(shí)驗(yàn)箱等主要設(shè)備，如有必要還可增加用于記錄熱失控瞬間影像的高速攝像機(jī)。綜合上述分析，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。

圖4 熱失控實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)構(gòu)成Fig.4 The composition of thermal runaway test platform

3.1 理想環(huán)境下熱失控研究

電池工作環(huán)境復(fù)雜多樣，發(fā)生熱失控時(shí)環(huán)境因素的影響也非常復(fù)雜。為科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拈_展研究工作，首先需要在一個(gè)近似絕熱的理想環(huán)境下進(jìn)行熱失控實(shí)驗(yàn)研究，得到理想條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然后再考慮實(shí)際環(huán)境和工況條件加以擴(kuò)展。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料中，研究思路也是首先考慮鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э匮芯吭诮平^熱環(huán)境中進(jìn)行，以得到準(zhǔn)確的熱失控參數(shù)。

加速量熱技術(shù)[20-22]是一項(xiàng)新興的用于鋰離子電池?zé)嵝阅鼙碚鞯膶?shí)驗(yàn)技術(shù)，非常適合用于研究?jī)?chǔ)能電池?zé)崾Э卮侔l(fā)條件和閾值，ARC 設(shè)備能夠精確計(jì)量閾值同時(shí)還可記錄其它動(dòng)力學(xué)研究所需的數(shù)值參數(shù)。這些參數(shù)為鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э貦z測(cè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供了促發(fā)條件及閾值研究依據(jù)，同時(shí)ARC 檢測(cè)裝置本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和防爆設(shè)計(jì)也為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)提供了參考。ARC 設(shè)備為熱失控檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)所在，它提供一個(gè)近乎絕熱的環(huán)境，用于研究鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э氐拈撝?，為后續(xù)進(jìn)行實(shí)際工況和環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)工作提供數(shù)據(jù)支持。所以采用加速量熱儀可滿足此項(xiàng)工作需要。

3.2 電促發(fā)條件

電濫用是促發(fā)鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э氐囊粋€(gè)重要因素。對(duì)儲(chǔ)能電池來說，電濫用主要包括電池過充電和過放電。

如果將不同容量或新舊電池混在一起使用，有可能出現(xiàn)過充或過放現(xiàn)象。這是由于充電過程中，容量差異導(dǎo)致充電時(shí)有些電池被過充，有些電池未充滿電。反之放電時(shí)則會(huì)發(fā)生容量不足的電池產(chǎn)生過放現(xiàn)象。如此惡性循環(huán)，電池受到損害而漏液或零電壓，可能導(dǎo)致冒煙、起火[23]等事故。同樣電池串聯(lián)使用也是導(dǎo)致電池過充或過放的直接原因。

綜合考慮現(xiàn)有電池相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，電池過放電設(shè)備需要保證將電池放電到0 V，過充電設(shè)備則最低需要將電池充電至10 V?？紤]到未來儲(chǔ)能對(duì)電池新材料、新體系發(fā)展的需要，可能應(yīng)用成熟的高電壓電池。因此為使電池可達(dá)到此實(shí)驗(yàn)要求，需要一套電壓范圍可調(diào)的恒壓電源（上限電壓最低12 V），同時(shí)配置一臺(tái)防爆實(shí)驗(yàn)箱。

3.3 機(jī)械促發(fā)條件

機(jī)械濫用主要是指通過外部機(jī)械作用，促使電池達(dá)到熱失控條件。相對(duì)于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池面臨的運(yùn)輸、使用過程中的嚴(yán)酷環(huán)境，儲(chǔ)能電池所處環(huán)境要寬泛許多。所以，針對(duì)鋰離子儲(chǔ)能電池，只有外部短路實(shí)驗(yàn)可能在實(shí)際工作中需要加以考慮。

在短路過程中，足夠大的短路電流是產(chǎn)生焦耳熱并最終導(dǎo)致熱失控的必要條件。因此短路實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要用小電阻的導(dǎo)線直接連接正負(fù)極，使電池形成超大電流回路，促使電池內(nèi)部快速升溫，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，短路設(shè)備外部電阻須小于5 mΩ。根據(jù)上文所述，短路情況下瞬間形成巨大的電流，電流可達(dá)將近1000 A，同時(shí)放出大量的熱，可能導(dǎo)致電池發(fā)生冒煙起火甚至爆炸等事故，因此需要專門的短路設(shè)備及防爆箱體來組成實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。

3.4 熱促發(fā)條件

加熱使外部環(huán)境溫度上升可以非常直觀地促發(fā)電池?zé)崾Э?。綜合現(xiàn)有電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，熱促發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備必須在升溫速率、最高溫度、溫度保持時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)上滿足實(shí)驗(yàn)需要。由于鋰電池標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全試驗(yàn)結(jié)果是“不爆炸、不燃燒”，此時(shí)電池未達(dá)到熱失控狀態(tài)。因此實(shí)際選取的熱促發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在試驗(yàn)溫度等方面要顯著高于安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。前文已述，電池溫度變化速率最快的階段出現(xiàn)在120～180 ℃，發(fā)生熱失控溫度即在此溫度區(qū)間。由于此測(cè)試電池處于ARC 絕熱環(huán)境中，但實(shí)際用于熱失控促發(fā)的溫升實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)艙總會(huì)存在一定的散熱損失，因此選擇溫升實(shí)驗(yàn)設(shè)備最高溫度需要達(dá)到220～250 ℃。

4 熱失控檢測(cè)設(shè)備功能驗(yàn)證

根據(jù)鋰離子儲(chǔ)能電池的熱失控促發(fā)條件和得到的熱失控閾值結(jié)果，選取滿足要求的實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。綜合上述分析，平臺(tái)主要設(shè)備包括ARC 設(shè)備、用于對(duì)電池過充或過放的設(shè)備、電池?zé)釠_擊實(shí)驗(yàn)箱、電池短路實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。

4.1 加速量熱設(shè)備（ARC）

ARC 設(shè)備為本項(xiàng)目中的關(guān)鍵設(shè)備，可提供一個(gè)近似絕熱的環(huán)境，對(duì)樣品熱穩(wěn)定性、安全性進(jìn)行測(cè)試分析。根據(jù)前述分析，ARC 設(shè)備參數(shù)需滿足：溫度范圍在室溫至300 ℃；靈敏度為0.01 ℃；放熱檢測(cè)靈敏度為0.02 ℃/min 等參數(shù)?？紤]到設(shè)備也需滿足小型電池模塊的實(shí)驗(yàn)，因此ARC 設(shè)備的腔體需較大。最終選擇的設(shè)備如圖5所示。對(duì)ARC設(shè)備進(jìn)行了升溫功能驗(yàn)證和電池實(shí)驗(yàn)。

圖5 ARC 設(shè)備圖Fig.5 The ARC Equipment photo

功能驗(yàn)證條件：起始溫度50 ℃，終止溫度305 ℃，溫度臺(tái)階25 ℃，持續(xù)穩(wěn)定時(shí)間為15 min。數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

圖6 升溫過程熱量校準(zhǔn)測(cè)試曲線Fig.6 The thermal calibration curve of temperature rise

從圖6可以看出ARC 設(shè)備起始溫度、終止溫度、溫度臺(tái)階、穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間等符合程序設(shè)置要求，數(shù)據(jù)采集記錄正常。

采用18650 型鋰離子電池進(jìn)行了熱失控功能驗(yàn)證。測(cè)試方法：起始溫度50 ℃，終止溫度305 ℃，溫度臺(tái)階10 ℃，測(cè)試對(duì)象為18650 型電池。數(shù)據(jù)曲線如圖7所示，電池?zé)崾Э厍昂笳掌鐖D8所示。從圖7可以看出采用上述試驗(yàn)方法，該18650 電池在溫度為150 ℃（箭頭所指處）溫度明顯上升，發(fā)生顯著熱失控現(xiàn)象。

圖7 18650 型電池?zé)崾Э厍€Fig.7 The thermal runaway curve of 18650 cell

圖8 18650 電池?zé)崾Э厍昂笳掌現(xiàn)ig.8 The photos of 18650 cell before and after thermal runaway

4.2 電池過充實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電池過充設(shè)備用于提供工作范圍內(nèi)設(shè)定電壓、電流或功率的直流輸出，滿足電池過充實(shí)驗(yàn)所需條件。所選設(shè)備主要參數(shù)為單路輸出電源，規(guī)格是80V/120A，輸出功率最大3000 W。設(shè)備圖如圖9所示。

圖9 電池過充電設(shè)備Fig.9 Battery overcharge equipment

電池過充實(shí)驗(yàn)試品采用10 A·h 三元材料電池。電池初始SOC 為100%，以1 C 充電至5 V，5 V后轉(zhuǎn)恒壓充電。約10 min 后電池開始起包并冒氣，泄壓閥位置溫度顯著上升，發(fā)生明顯熱失控現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)曲線如圖10所示，電池?zé)崾Э厍昂髨D片如圖11所示。

圖10 電池過充電實(shí)驗(yàn)曲線Fig.10 The curve of battery overcharge

圖11 電池過充熱失控前后對(duì)比Fig.11 The photos of battery before and after overcharge

4.3 電池?zé)釠_擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電池?zé)釠_擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要用于模擬電池溫度快速上升環(huán)境，提供電池?zé)崾Э厮璧沫h(huán)境促發(fā)條件，設(shè)備主要參數(shù)溫度范圍為室溫至250 ℃，溫度分布±2.0 ℃，控制精度±0.5 ℃，升溫速率（5±2）℃/min，設(shè)備圖如圖12所示。

圖12 熱沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備外觀圖Fig.12 The photo of thermal shock equipment

設(shè)備功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)升溫速率為5 ℃/min，終止溫度250 ℃，恒溫起始點(diǎn)140 ℃，溫度臺(tái)階20 ℃，持續(xù)時(shí)間20 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖13所示。從圖13可以看出，熱沖擊試驗(yàn)箱可以按照設(shè)計(jì)速率 （5 ℃/min）升溫。到達(dá)設(shè)定溫度點(diǎn)后，可以將箱體溫度維持在臺(tái)階溫度點(diǎn)，在持續(xù)時(shí)間內(nèi)溫度波動(dòng)范圍處于可接受范圍內(nèi)。維持每段持續(xù)時(shí)間后，溫度按設(shè)定數(shù)值上升并遵照后續(xù)步驟執(zhí)行，最高溫度可以達(dá)到要求值（250 ℃）。

圖13 熱沖擊驗(yàn)證曲線Fig.13 The curve of thermal shock equipment calibration

采用18650 電池（三元體系）進(jìn)行熱沖擊實(shí)驗(yàn)，起始溫度為室溫，終止溫度250 ℃，升溫為直接連續(xù)升溫程序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖14所示。獨(dú)立的溫度采集探頭粘貼于電池表面不同的位置，在溫度迅速上升的沖擊下，電池在200 ℃左右發(fā)生顯著熱失控現(xiàn)象（起火）。電池?zé)崾Э厍昂笳掌鐖D15所示。

圖14 電池?zé)釠_擊實(shí)驗(yàn)曲線Fig.14 The curve of battery thermal shock test

圖15 18650 電池溫升熱失控前后對(duì)比Fig.15 The photos of 18650 battery before and after thermal shock

4.4 電池短路實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電池短路設(shè)備主要用于模擬電池外短路瞬間形成大電流的沖擊過程。設(shè)備主要參數(shù)包括：設(shè)備直流內(nèi)阻小于5 mΩ，電流最大允許達(dá)到2000 A，遠(yuǎn)程控制。短路設(shè)備外觀圖如圖16所示。

采用90 A·h 三元體系電池進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中記錄電池溫度和電壓的變化。電池短路前后照片如圖17所示。

圖18為電池短路過程記錄的電池電壓和溫度隨時(shí)間變化的曲線。

圖16 電池短路設(shè)備外觀Fig.16 The photo of battery short circuit

圖17 電池短路前后對(duì)比Fig.17 The photos of battery before and after short circuit

圖18 電池短路實(shí)驗(yàn)電壓和溫度對(duì)時(shí)間的曲線Fig.18 The curve of voltage and temperature of battery short circuit

5 結(jié)論與展望

本文主要開展了鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э貦z測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究工作，經(jīng)理論分析、文獻(xiàn)調(diào)研和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究等，完成了鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э卮侔l(fā)條件及閾值研究、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)、相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能驗(yàn)證等工作，得出了以下一些初步研究結(jié)論。

（1）考慮了鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能的工況條件差異，熱失控主要促發(fā)實(shí)驗(yàn)條件確定為過充電、過放電、短路及加熱促發(fā)。

（2）通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究確定了鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э氐拈撝怠?/p>

（3）根據(jù)鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э卮侔l(fā)條件、閾值研究結(jié)果，分析研究了對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法，提出了熱失控實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。

（4）依設(shè)計(jì)方案，確定了可滿足各促發(fā)條件的設(shè)備分別為電壓可調(diào)范圍0～12 V 的恒壓電源；電流參數(shù)至少應(yīng)達(dá)到2000 A 的短路設(shè)備；溫度可達(dá)到250 ℃的熱沖擊設(shè)備；同時(shí)各實(shí)驗(yàn)設(shè)備都需配置相應(yīng)級(jí)別的防爆試驗(yàn)箱和溫度不低于900 ℃的采集裝置，與ARC 設(shè)備和高速圖像采集裝置共同構(gòu)成了熱失控檢測(cè)平臺(tái)。

通過本研究工作的開展，完成了鋰離子儲(chǔ)能電池?zé)崾Э貦z測(cè)平臺(tái)構(gòu)建方案的設(shè)計(jì)、搭建及功能驗(yàn)證等工作，后期期望在此基礎(chǔ)上繼續(xù)完善和優(yōu)化平臺(tái)功能，以便開展典型儲(chǔ)能電池?zé)崾Э匦袨檠芯?，積累有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，掌握實(shí)驗(yàn)方法，為制訂針對(duì)儲(chǔ)能電池的安全性檢測(cè)評(píng)價(jià)方法、完善的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供支持，進(jìn)而填補(bǔ)儲(chǔ)能電池安全性能檢測(cè)方面的空缺。

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