動力電池熱失控測試及熱防護研究分析

奚杰　聶永福

摘 要：為了提高動力電池的熱安全性能，減少熱失控時造成的危害，需要在動力電池系統端進行有效的熱防護及熱預警設計。本文通過加熱觸發的方式，對電芯和模組在熱失控時的電壓、溫度、釋能特性進行了研究分析，明確了其熱失控特性的演變歷程，以此優化動力電池系統熱安全設計策略。

關鍵詞：熱失控 熱防護 動力電池 觸發模組

Research and Analysis of Power Battery Thermal Runaway Test and Thermal Protection

Xi Jie，Nie Yongfu

Abstract：In order to improve the thermal safety performance of the power battery and reduce the harm caused by thermal runaway， it is necessary to carry out effective thermal protection and thermal warning design on the power battery system. In this paper， through the heating trigger method， the voltage， temperature， and energy release characteristics of the cells and modules are studied and analyzed when the cells and modules thermally run away， and the evolution of their thermal runaway characteristics is clarified， so as to optimize the thermal safety design strategy of the power battery system .

Key words：thermal runaway， thermal protection， power battery， trigger module

1 引言

近年來，伴隨著高載能電動汽車銷量的增長和高鎳體系電池的普及應用，電動汽車發生起火等嚴重安全事故的頻率也表現出明顯的上升趨勢。據不完全統計，在電動汽車安全事故原因中，因電池熱失控造成的問題占比較高。從鋰離子動力電池本身來說，其發生熱失控主要是由于因電池內部短路、副反應等產生的熱量無法及時散出，造成電池內部熱量不斷積累，從而引發單體電池溫度急劇上升，進而加熱臨近的電芯，造成系統的熱蔓延，嚴重的會導致整個電池系統甚至整車的起火或爆炸事故[1]。另一方面，隨著動力電池尺寸、容量和能量密度的不斷增加，單體電池在熱失控時釋放的能量及爆破力也會成倍增加[2]。因此，本文通過對目前市面上普遍使用的大容量的動力電池及對應的模組在熱失控中特性參數的變化分析，以期望在動力電池組設計和生產中采取相應的防護措施時起到參考作用。

2 實驗

2.1 實驗對象

本實驗的研究對象為高比能量的51Ah三元軟包動力電池及2P6S標準模組。

2.2 實驗設備

絕熱加速量熱儀ARC、多路溫度記錄儀、300W加熱膜。

2.3 實驗方法

電芯測試：（a）將電芯以0.33C恒流恒壓充電至100%SOC狀態，常溫靜置≥4小時;（b）在電芯表面利用導熱膠固定多個溫度采集點;（c）利用ARC進行實驗：以0.05℃/min，加熱至55℃后，再以0.05℃/min加熱，每升高5℃，等待30～60min，若檢測到電池溫升速率為0.02℃/min，則電芯自生熱開始。

模組測方案：（a）將測試模組以0.33C恒流充電至100%SOC狀態，常溫靜置≥6小時;（b）利用300W的加熱膜給觸發電芯進行加熱;（c）記錄模組電壓及溫度變化。

3 結果與討論

3.1 電芯ARC測試

本文選取一款三元軟包電芯進行單體的熱失控實驗，以評估單體電芯熱失控時溫度及電壓等特性參數的演變規律。圖1（a）中為觸發電芯的簡易圖，其中在電芯的表面共計布置了7個溫度傳感器，分別為電芯的正負極極耳處（T1/T5）、電芯大面中軸線1/4處（T2/T3/T4）和電芯側面中心處（T6/T7）。圖1（a）為觸發電芯的溫度和電壓隨時間的變化，圖1（b）為電芯大面T3的溫升速率。結合實驗結果來看，在溫度小于55℃范圍內電芯的溫度隨著加熱的進行逐漸升高，在加熱-等待-搜索過程中當溫度超過80℃時電芯出現了自生熱現象。隨后當溫度大于150℃時，電池的溫升速率已達到1℃/min。當電池溫度達到200℃時，溫升速率已高達1℃/S，并還在持續上升，最終溫度發生突升且電壓瞬間下降至0V，電芯熱失控發生。從記錄的數據來看，電芯熱失控時最高溫度達到725℃，釋放的能量相對來說不高，電芯的殘渣也保留相對完整，總體質量損失約30%。從熱失控機理來說，電芯主要是由于外因或內因導致電芯內部產熱并逐漸在內部積聚，進而誘發了一系列的副反應，而這些副反應會進一步導致鋰離子電池內部的熱量積聚，壓力增大，最終導致鋰離子電池起火爆炸，形成嚴重的熱安全問題。因此，進行電芯的熱失控評估，在熱失控監測策略及結構設計防護時具有必要的指導

意義。

3.2 模組熱失控測試

本文通過300W加熱膜觸發模組最外側單顆電芯，以便研究當單體或少量電池熱失控觸發后能量向外界蔓延的情況，以及其帶來的次生安全問題。此外，溫度傳感器的布置如圖2（a）所示，每2P1S模塊中兩顆電芯之間的中心處布置一個溫感，共計6個溫感（TS1～ TS6），T加熱膜為加熱膜的溫度，NTC1和NTC2為模組自帶的溫感，其通過BMS進行采集。從圖2（b）所示的溫度變化趨勢可以觀察到，觸發電芯在200℃左右時溫度表現出急劇上升的趨勢。此外，測試時觀察到模組外部鋁殼體出現膨脹，并從端板處釋放大量的煙霧，并在3S后端板處出現約45o方向的噴射火焰。從熱蔓延的情況來說，從TS1到TS6時間間隔分別為61S、36S、18S、25S、42S，每蔓延至一串電芯，則模組間歇性地向外界釋放能量。從模組自帶的NTC2（采集第2串）溫度上升趨勢來看，其溫度達到200℃的時間點略晚于觸發發電芯約25S，且溫度上升相對平緩，可能是由于向外界散熱造成的。NTC1（采集第4串）溫度上升點幾乎與T3保持一致。另外，從失控模組的殘渣來看，除部分塑料件熔融外，整體金屬框架保持完整狀態。從模組內部電芯熱蔓延的情況來說，可以在模組的第2串和3串、4串和5串增加一定厚度的氣凝膠，可以有助于延緩熱量的傳遞。可以根據模組熱失控時熱量的噴射方向及溫度情況，在電池包上殼體內表面可以適當噴涂一定厚度的隔熱材料，當然該涂層不易過厚，否則不利于電池包正常情況下的散熱。

4 結語

動力電池的熱安全性能提升，需從電芯的熱穩定性、熱蔓延傳遞的方向、模組熱失控的能量釋放等多維度的分析，才可以有效地指導系統的熱擴散防護設計及熱預警策略的制定。本文通過電芯和模組的層級的實驗，分析了電芯和模組熱失控及熱擴散的發生及演變規律，便于后期系統層級的熱防護設計。

參考文獻：

[1]Li W，Xuning F，Gang X，et al. ARC experimental and data analysis for safety evaluation of Li-ion batteries[J].Energy Storage Science and Technology，2018.

[2]劉磊，王芳，高飛，等.鋰離子電池模組熱失控擴展安全性的研究[J].電源技術，2019.