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基于高温引起的动力电池热失效测试分析
2020-06-11 23:59:48· 来源：《基于高温引起的动力电池热失效测试分析》 作者：郑州日产汽车有限公司
1 前言锂离子电池在充､放电过程中，会发生化学反应，并产生热量，使电池温度升髙｡当产生热量的速度大于散热速度，温度就会持续上升｡若温度上升达到反应物的着
1 前言
锂离子电池在充､放电过程中，会发生化学反应，并产生热量，使电池温度升髙｡当产生热量的速度大于散热速度，温度就会持续上升｡若温度上升达到反应物的着火点就会发生燃烧，进而使温度进一步升高，加速锂离子电池内活性物质的反应｡然后产生大量的气体，电池箱因内压急剧升髙而引起爆炸｡由此可见，锂离子电池的热失控是由热量蓄积不能及时扩散而引起的｡
本试验选择电池模组内的某一颗电芯捆绑PTC加热片，通过外部供电进行加热的方式触发单体电芯热失控｡
2 试验准备
本试验选用电芯为18650型号，共8个模组串联组成｡因电芯电量接近满电量时，更容易发生热失效，所以在试验开始前将模组充电至4.0V以上，随后将模组放置于电池箱体内｡
在第8串电芯模组的中间位置，选取一颗电芯用PTC加热片包裹，作为触发热失效的目标电芯｡将信号线束，电压､温度､电源线等引至观察室内，随后电池箱体封盖，插件等用堵头封死，模拟电池箱是一个封闭的环境｡如图1所示｡
3 试验方法
在观察室内，通过控制稳压电源，对电池模组进行小电流(6.5A)恒流充电，同时对加热膜进行加热，使用电脑上位机对模组的电压､温度等数据进行检测｡通过视频监控观察电池箱体的状态变化｡若电池箱体发生烟雾，或检测的电压､温度数据明显异常时，证明热失控已发生｡关闭稳压电源开关，停止对电池模组的充电及加热｡需继续观察电池箱状态是否发生明火､爆炸等，等待反应结束后，将电池箱体转移到室外完全区域｡
4 试验结果
4.1 电池箱体拆解
箱体上盖有明显鼓包，上盖有高温灼烧痕迹，箱体内部电池模组位置无明显变化，电芯排列基本完好，未发现有严重的散乱等现象｡取出箱体中电芯，发现多处存在有侧壁爆开､钢壳熔融粘连､表面凹坑等现象，发生位置无明显规律｡拆解过程如图3｡
4.2 电芯解剖
针对电芯表面熔毁､电芯侧壁凸起､电芯侧壁熔融､电芯钢壳无明显异常现象各取样1只解剖，如图4所示｡通过对电芯拆解可以确认，现有电池包内总体发生失效后，电芯损伤现象种类较多且无明显规律｡
4.3 试验数据分析
测试模组监控数据整理如图5所示｡
失效发生后，监控的单体电压数据，成多段“V”字型下降｡其原理为，多只电芯并联的模组内，热失控在电池Ball内部蔓延，Batl电芯发生短路，内阻不断减少，其他并联电芯对Batl放电，所以电压下降｡当Batl完全热失控，电化学体系崩溃，相当于断路，内阻变大，其他并联电芯的短路电流为0，模组电压回升，由于SOC损失，回升电压小于初始电压｡并联模组内，连续的单只电芯失效，造成模组电压连续的“V”字型下降｡
a)14:24:59，电压有轻微波动，先下降后回升，第一次下降约32mV，此时电芯已发生失效，电池包仍在充电；
b)14:26:39，充电电流为0A，监测的8个模组电压值有所回落；
c)14:26:59，目标模组电压出现明显的T字型下降，其他模组电压维持正常状态；
d)14:27:04，8个模组电压均连续出现“V”字型下降，且数据曲线趋势相似，说明热失效扩散到了全部的8个模组｡因目标模组先于其他模组发生单体电芯热失效，所以目标模组陆续失效的电芯个数多于其他模组，从数据上表现为，其他串模组电压波动的幅度小于目标模组；
e)14:28:49，热失效已完全爆发､不可控，不同的模组随机失效的电芯个数不同，导致电压数据有所差异；
f)14:30:19，监控数据全部异常，信号失效断开｡
5 结束语
本次测试没有发生明火现象，从热失控开始到结束，持续时间约5min｡
通过测试验证了，单体电芯热失效可以引发模组及电池包整体发生连锁热失效反应｡且根据采集的数据分析，在充电过程中，第一次表现出电压有微小波动时，单体电芯热失效已经开始｡但因未达到BMS告警阀值，并未上报故障｡
改善建议，可以通过优化BMS采集处理数据的算法，飄别出正常的压降波动和由于电芯发生了热失效而产生的电压波动，及时上报故障预警及切断高压回路等措施，减小热失控进一步扩散的可能｡
锂离子电池在充､放电过程中，会发生化学反应，并产生热量，使电池温度升髙｡当产生热量的速度大于散热速度，温度就会持续上升｡若温度上升达到反应物的着火点就会发生燃烧，进而使温度进一步升高，加速锂离子电池内活性物质的反应｡然后产生大量的气体，电池箱因内压急剧升髙而引起爆炸｡由此可见，锂离子电池的热失控是由热量蓄积不能及时扩散而引起的｡
本试验选择电池模组内的某一颗电芯捆绑PTC加热片，通过外部供电进行加热的方式触发单体电芯热失控｡
2 试验准备
本试验选用电芯为18650型号，共8个模组串联组成｡因电芯电量接近满电量时，更容易发生热失效，所以在试验开始前将模组充电至4.0V以上，随后将模组放置于电池箱体内｡
在第8串电芯模组的中间位置，选取一颗电芯用PTC加热片包裹，作为触发热失效的目标电芯｡将信号线束，电压､温度､电源线等引至观察室内，随后电池箱体封盖，插件等用堵头封死，模拟电池箱是一个封闭的环境｡如图1所示｡
3 试验方法
在观察室内，通过控制稳压电源，对电池模组进行小电流(6.5A)恒流充电，同时对加热膜进行加热，使用电脑上位机对模组的电压､温度等数据进行检测｡通过视频监控观察电池箱体的状态变化｡若电池箱体发生烟雾，或检测的电压､温度数据明显异常时，证明热失控已发生｡关闭稳压电源开关，停止对电池模组的充电及加热｡需继续观察电池箱状态是否发生明火､爆炸等，等待反应结束后，将电池箱体转移到室外完全区域｡
4 试验结果
4.1 电池箱体拆解
箱体上盖有明显鼓包，上盖有高温灼烧痕迹，箱体内部电池模组位置无明显变化，电芯排列基本完好，未发现有严重的散乱等现象｡取出箱体中电芯，发现多处存在有侧壁爆开､钢壳熔融粘连､表面凹坑等现象，发生位置无明显规律｡拆解过程如图3｡
4.2 电芯解剖
针对电芯表面熔毁､电芯侧壁凸起､电芯侧壁熔融､电芯钢壳无明显异常现象各取样1只解剖，如图4所示｡通过对电芯拆解可以确认，现有电池包内总体发生失效后，电芯损伤现象种类较多且无明显规律｡
4.3 试验数据分析
测试模组监控数据整理如图5所示｡
失效发生后，监控的单体电压数据，成多段“V”字型下降｡其原理为，多只电芯并联的模组内，热失控在电池Ball内部蔓延，Batl电芯发生短路，内阻不断减少，其他并联电芯对Batl放电，所以电压下降｡当Batl完全热失控，电化学体系崩溃，相当于断路，内阻变大，其他并联电芯的短路电流为0，模组电压回升，由于SOC损失，回升电压小于初始电压｡并联模组内，连续的单只电芯失效，造成模组电压连续的“V”字型下降｡
a)14:24:59，电压有轻微波动，先下降后回升，第一次下降约32mV，此时电芯已发生失效，电池包仍在充电；
b)14:26:39，充电电流为0A，监测的8个模组电压值有所回落；
c)14:26:59，目标模组电压出现明显的T字型下降，其他模组电压维持正常状态；
d)14:27:04，8个模组电压均连续出现“V”字型下降，且数据曲线趋势相似，说明热失效扩散到了全部的8个模组｡因目标模组先于其他模组发生单体电芯热失效，所以目标模组陆续失效的电芯个数多于其他模组，从数据上表现为，其他串模组电压波动的幅度小于目标模组；
e)14:28:49，热失效已完全爆发､不可控，不同的模组随机失效的电芯个数不同，导致电压数据有所差异；
f)14:30:19，监控数据全部异常，信号失效断开｡
5 结束语
本次测试没有发生明火现象，从热失控开始到结束，持续时间约5min｡
通过测试验证了，单体电芯热失效可以引发模组及电池包整体发生连锁热失效反应｡且根据采集的数据分析，在充电过程中，第一次表现出电压有微小波动时，单体电芯热失效已经开始｡但因未达到BMS告警阀值，并未上报故障｡
改善建议，可以通过优化BMS采集处理数据的算法，飄别出正常的压降波动和由于电芯发生了热失效而产生的电压波动，及时上报故障预警及切断高压回路等措施，减小热失控进一步扩散的可能｡
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