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2015-02-20 05:31吳飛馳夏順禮趙久志秦李偉
中國(guó)測(cè)試 2015年5期
關(guān)鍵詞:模組失控鋰離子

吳飛馳,夏順禮,趙久志,秦李偉

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心新能源汽車研究院,安徽 合肥 230601)

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吳飛馳,夏順禮,趙久志,秦李偉

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心新能源汽車研究院,安徽 合肥 230601)

為確保電動(dòng)汽車安全可靠的運(yùn)行,提高三元?jiǎng)恿﹄姵啬=M的熱失控安全性,開展動(dòng)力電池模組熱失控研究。在分析電池?zé)崾Э貦C(jī)理的基礎(chǔ)上,提出適應(yīng)電池模組結(jié)構(gòu)的安全試驗(yàn)方法,并采用該方法模擬鋰電池模組中單體電池?zé)崾Э貙?duì)周圍電池的影響。結(jié)果表明:電池模組中單體電池的熱失控不會(huì)導(dǎo)致周圍其他電池?zé)崾Э兀辉摐y(cè)試方法可有效驗(yàn)證電池模組在濫用條件下的熱失控安全性,為電動(dòng)汽車安全運(yùn)行提供保障。

電池模組;熱失控;安全性

0 引 言

鋰離子動(dòng)力電池相對(duì)于其他動(dòng)力電池,其能量高、體積小、質(zhì)量輕、安全可靠的特點(diǎn)成為目前純電動(dòng)汽車較為理想的能量來源[1]。但鋰離子動(dòng)力電池的比能量高,存在較大的安全隱患[2]。為了確保電動(dòng)汽車可靠運(yùn)行,急需開展鋰電池相關(guān)安全性的試驗(yàn)研究。

目前,針對(duì)動(dòng)力電池的安全測(cè)試大多停留在單體內(nèi)部[3-5],模組級(jí)別的電池安全性研究工作相對(duì)較少。但是,電池模組中單體電池發(fā)生熱失控,會(huì)釋放大量熱量導(dǎo)致周圍電池溫度升高,存在引發(fā)大規(guī)模電池?zé)崾Э氐目赡?,熱失控的出現(xiàn)是導(dǎo)致電池著火、爆炸的最終原因[6-9]。為此,本文通過模擬電池在電動(dòng)汽車上的使用及電池模組的單體熱失控情況,研究模組級(jí)電池的安全性,為電動(dòng)車的安全開發(fā)提供基礎(chǔ)[10-11]。

1 電池?zé)崾Э貦C(jī)理

熱失控的電池可以如下形式釋放能量[12]:1)有效化學(xué)能熱釋放;2)熱失控下的可燃物燃燒熱;3)材料相變過程中的熵變產(chǎn)物;4)過流產(chǎn)熱(內(nèi)阻)。

電池釋放能量可由下式表示:

式中第1項(xiàng)是對(duì)外釋放電能的主要形式,該項(xiàng)是可控的;第2與第3項(xiàng)是內(nèi)阻消耗電能的主要形式,最不可控;第4項(xiàng)等均可忽略。電池內(nèi)部(外部)短路過程中出現(xiàn)的熱聚集以及由于熱聚集導(dǎo)致的內(nèi)部可燃物燃燒產(chǎn)熱,是電池出現(xiàn)惡劣安全事故的根源。對(duì)于特定的電池,主要熱源是內(nèi)阻,占總產(chǎn)熱的54%[13];因此,為安全考慮需降低電池內(nèi)阻,一方面可降低電池的產(chǎn)熱量;另一方面,導(dǎo)熱材料及導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也比較關(guān)鍵。電池?zé)崾Э厍闆r下,內(nèi)阻等效如圖1所示,產(chǎn)生的熱量(放熱產(chǎn)熱及短路點(diǎn)焦耳產(chǎn)熱)主要表達(dá)為

圖1 電池內(nèi)阻等效圖

圖中,當(dāng)Rs>>Rc時(shí),Qs值對(duì)于容量不同的電池均無太大影響,出現(xiàn)熱失控幾率較小(自放電較大);當(dāng)Rs≈Rc時(shí),Qs值占電池總能量的比例驟增,比表面積小的電池?zé)釘U(kuò)散較快,隔膜出現(xiàn)失效,但大容量電池?zé)釘U(kuò)散較慢,易出現(xiàn)熱驟集導(dǎo)致失效,因此對(duì)于隔膜要求更高。能量?jī)?chǔ)存滿態(tài)的電池,內(nèi)部可燃物(不考慮隔膜)在出現(xiàn)燃燒時(shí)累積的燃燒熱如果不能夠有效地釋放,加之電池容量較大,難以散熱,結(jié)果會(huì)發(fā)生爆炸。這個(gè)過程化學(xué)反應(yīng)主要為

電池單體的內(nèi)短路是電池開發(fā)中最不可預(yù)測(cè)的失效模式,短路時(shí)大量熱釋放可導(dǎo)致動(dòng)力電池總成發(fā)生熱失控。經(jīng)分析,影響電池單體內(nèi)短路安全性的主要因素包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液、安全閥等。為開發(fā)出安全可靠的電池單體,保證電動(dòng)車的安全運(yùn)行,現(xiàn)通過試驗(yàn)方法模擬電池內(nèi)部微短路,驗(yàn)證模組的熱失控安全性。

2 動(dòng)力電池?zé)崾Э卦囼?yàn)方法研究

試驗(yàn)電池為圓形三元電池。通過計(jì)算將一定功率的加熱電阻絲纏繞在位于電池模組中間位置的電池單體上,同時(shí)在該電池殼體側(cè)面布置溫感以監(jiān)控溫度;該電池單體相鄰的電池上同樣布置溫感監(jiān)控溫度變化,將電池單體按動(dòng)力電池總成的模組結(jié)構(gòu)進(jìn)行并聯(lián)組裝并充至滿電;電池單體上的溫感連接至溫度巡檢儀上,加熱電阻絲兩端通過導(dǎo)線分別與外接電源相連,加熱回路通過繼電器開關(guān)控制;閉合繼電器持續(xù)加熱電池單體,觀察加熱過程中該電池單體的反應(yīng),監(jiān)控電池模組中單體的溫度變化;當(dāng)被加熱電池單體發(fā)生失效,立即斷開加熱回路,結(jié)束試驗(yàn);繼續(xù)觀察相鄰電池單體的溫度變化,若溫度持續(xù)上升并發(fā)生失效,觀察反應(yīng)程度并立即用消防沙堆埋;若相鄰電池?zé)o安全事故發(fā)生,則電池模組熱失控安全性符合要求;試驗(yàn)電池模組如圖2所示。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)做好安全防護(hù)措施,試驗(yàn)過程攝像記錄。

圖2 熱失控試驗(yàn)用電池模組裝置圖

3 三元材料動(dòng)力電池?zé)崾Э卦囼?yàn)結(jié)果及分析

為有效驗(yàn)證電池單體在電池組內(nèi)部發(fā)生內(nèi)短路的熱失控安全性,逐步開展從單層模組到多層模組的試驗(yàn),同時(shí)確保試驗(yàn)在密閉環(huán)境下進(jìn)行。

3.1 單層模組

如圖3所示,加熱電池單體過程中,安全閥打開泄壓,此時(shí)為電池本身的安全保護(hù)啟動(dòng),繼續(xù)加熱至單體發(fā)生爆炸后停止;觀察模組中電池單體的溫度變化,由于熱量傳遞,周圍電池溫度緩慢上升最終達(dá)到平衡點(diǎn)后開始下降,未發(fā)生熱失控反應(yīng)。

圖3 單層模組試驗(yàn)

圖4 3層模組(最終裝配結(jié)構(gòu))試驗(yàn)

單層電池模組經(jīng)試驗(yàn)后未發(fā)生熱失控,結(jié)合電池組結(jié)構(gòu),組裝3個(gè)電池模塊,通過拉桿、壓條等緊固裝配,模組間通過阻燃板防護(hù),逐步改進(jìn)試驗(yàn)環(huán)境模擬最終的密閉式結(jié)構(gòu)。

3.2 多層模組

如圖4所示,裝配3個(gè)模組,被加熱電池單體位于中間模組,左右兩側(cè)均為真實(shí)電池,在電池組殼體內(nèi)部開展試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際使用狀態(tài)。被加熱電池單體失效時(shí)大量冒煙,無起火燃燒等安全事故發(fā)生,周圍相鄰電池溫度上升,但未發(fā)生熱失控,相鄰模組溫度基本正常;為充分驗(yàn)證安全性,增加電池模塊單體并聯(lián)的數(shù)量(電池組最終裝配結(jié)構(gòu)),并再次開展試驗(yàn),加熱至電池單體失效時(shí),安全閥打開并大量冒煙,無熱擴(kuò)散,相鄰模組溫度小幅上升;3組電池模塊的單只電池溫升曲線如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)過程溫度變化曲線

如圖5(c)所示中間模組,當(dāng)加熱單體至溫度達(dá)到158℃時(shí),電池發(fā)生失效,正極處瞬間大量泄壓冒煙,15s內(nèi)溫度急劇上升至610℃后開始下降,周圍電池殼體上的溫感由于瞬間高溫,檢測(cè)到245℃的高溫,但隨后逐漸下降,無熱失控發(fā)生。左右兩邊模塊溫度基本無變化,最高為19℃。通過在密閉環(huán)境下開展從單層到多層模塊試驗(yàn),本試驗(yàn)方法可有效驗(yàn)證單體內(nèi)短路對(duì)模組熱失控安全性的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

為有效驗(yàn)證三元18650高能量電池單體在電池模組中的熱失控安全性,通過利用加熱絲加熱電池單體,分別開展了單層到多層模組的試驗(yàn),結(jié)果表明本試驗(yàn)方法可有效模擬驗(yàn)證單體內(nèi)部微短路事故對(duì)模組安全性的影響。

如何針對(duì)各種不同正負(fù)極材料及隔膜的動(dòng)力電池?zé)崾Э貦C(jī)理與試驗(yàn)方法開展研究,需求更定量的熱失控?cái)?shù)據(jù)及規(guī)律,是本文下一步的工作。

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5 結(jié)束語(yǔ)

利用中國(guó)民航大學(xué)飛機(jī)電源實(shí)驗(yàn)室拖動(dòng)臺(tái)測(cè)量發(fā)電機(jī)飛升曲線,實(shí)驗(yàn)證明,發(fā)電機(jī)在相同功率因數(shù)、不同負(fù)載(包括空載、25%、50%、75%)額定條件下,測(cè)得的飛升曲線基本相同;功率因數(shù)不同,測(cè)得飛升曲線稍有變化,但變化不大,曲線走勢(shì)一致??梢宰C明,只要調(diào)壓系統(tǒng)在電感負(fù)載或低功率因數(shù)下穩(wěn)定,則在其他負(fù)載情況下也一定是穩(wěn)定的[11]。因此測(cè)飛機(jī)發(fā)電機(jī)飛升曲線時(shí),根據(jù)ISO1540——2006,功率因數(shù)按最低允許值0.6設(shè)定。

利用LabVIEW測(cè)得飛機(jī)發(fā)電機(jī)飛升曲線,并利用Matlab的系統(tǒng)辨識(shí)功能求取發(fā)電機(jī)近似的傳遞函數(shù),方法安全可靠。發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)的建立為機(jī)載電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論分析以及發(fā)電機(jī)調(diào)壓器的設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

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Testing method study on thermal runaway safety of NCM batteries

WU Feichi,XIA Shunli,ZHAO Jiuzhi,QIN Liwei
(New Energy Vehicle Academy,Technical Center of Anhui JiangHuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230601,China)

To ensure safe and reliable operation of electric vehicles and improve the safety of heat runaway in ternary dynamic batteries,a testing method for the safety of battery module structures has been proposed in accordance with the study on thermal runaway mechanism and experiments of battery packs,and with this method the influence which caused by micro-short circuit in single cell to peripheral batteries has been simulated.Test resultsdemonstrate that thermal runaway in single cell will not affect peripheral batteries and the above method can effectively verify the thermal runaway safety of batter modules that are misused and thus guarantee safe operation of electric vehicles.

battery module;thermal runaway;safety

A

:1674-5124(2015)05-0125-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.031

2014-08-12;

:2014-10-21

吳飛馳(1989-),男,福建晉江市人,研究方向?yàn)殡妱?dòng)車動(dòng)力電池。

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