一種純電動汽車用熱失穩安全試驗方法開發

李文杰

摘 要：為確保電池單體內短路后無熱失控，通過模組試驗方法開發逐步實現接近真實狀態下的密閉環境熱失穩安全性。通過采取加熱絲纏繞在某一單體電池加熱方式使電池溫度上升，加熱絲兩端分別通過導線與外接電源正負極相連，中間通過開關控制閉合。該單體布置于模塊中間位置，周圍相鄰六只單體分別布置溫感，模組裝配焊接。閉合繼電器加熱電池單體，溫感連接至多路溫度巡檢儀監控試驗過程中監控溫度變化，當加熱至電池單體發生失效后斷開加熱回路，持續觀察電池溫度變化及周圍相鄰電池是否發生失效等反應。關鍵詞：熱失穩;加熱絲;加熱;短路中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-14-03

Abstract：?In order to ensure that there is no thermal runaway after the short circuit in the cell， the thermal instability safety in the closed environment close to the real state is gradually realized through the development of module test method. The heating wire is wound around a single battery to raise the temperature of the battery. The two ends of the heating wire are respectively connected with the positive and negative poles of the external power supply through wires， and the middle is closed through the switch control. The unit is arranged in the middle of the module， and six adjacent units are respectively arranged with temperature sensing， and the module is assembled and welded. Close the relay to heat the battery cell， connect the temperature sensor to the multi-channel temperature inspection instrument to monitor the temperature change during the monitoring test， disconnect the heating circuit when the heating reaches the failure of the battery cell， and continuously observe the temperature change of the battery and the failure of adjacent batteries around.Keywords： Thermal instability; Heating wire; Heating; Short circuitCLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）08-14-03

1?引言

三元材料（NCM、NCA）電池能量密度具高達240Wh/?kg～260Wh/kg，能量密度優勢明顯。三元電池短路時起火，最大溫升速率≥150℃/s，氧化還原溫度僅200℃，相比磷酸鐵鋰材料低出200℃。18650、21700型三元材料電池單體用于純電動汽車上，動力電池系統約用2000～8000只電池單體。當有一只電池單體發生內短路時，瞬間釋放大量熱量，在IP67的密閉環境中將導致周圍相鄰電池溫度上升并引發失效，進而引發模組、電池系統熱失控，嚴重影響整車的安全使用。

為確保動力電池總成的安全，通過采用加熱絲加熱單體模擬內短路失效的熱失穩試驗進行驗證，在開發過程中針對該試驗方法不斷進行開發完善，最終形成有效的、模擬真實工況的試驗方法。

2 試驗方法開發

為確保電池單體內短路后無熱失控，通過模組試驗方法開發逐步實現接近真實狀態下的密閉環境熱失穩安全性，確保動力電池總成的安全性。現通過采取加熱絲加熱方式使電池溫度上升，內部隔膜在高溫下發生收縮產生內部短路，驗證該失效模式下電池的安全性。驗證方法開發如圖1所示。

2.1?方法Ⅰ

當發生內部短路時，電池自身進行放電，此時電量降低，溫度持續上升時其本身能量釋放，為驗證極端工況下的安全性，開展SOC100%狀態下的試驗，電池本身作為電源進行加熱，在開放體系下開展試驗觀察電池的失效行為并評估安全性能。

試驗中單層7P（P：并聯）電池經加熱至失效時共約12min，此時電池經放電加熱后剩余電量僅為60～70%，30～40%電量作為熱量釋放。該方法并未驗證極端條件下滿電電池失效時的安全性。

2.2 方法Ⅱ

基于方法Ⅰ試驗基礎，滿電電池發生內短路時進行微自放電，至失效時電量剩余70%，為驗證極端工況下電池的安全性，通過調整試驗前的電池電量為70%，采用外部電源（輸出電壓4.1V）持續加熱至電池失效。試驗于開放體系下進行，觀察單層7P模塊中單體內短路后的失效行為。

2.3 方法Ⅲ

經以上方法逐步確定電池單體的設計參數后，為更有效模擬電池組的實際裝配結構，采用三層7P模塊疊加裝配進行試驗（SOC70%，左右兩側電池為空殼體），驗證單體內短路失效后正極安全閥開啟時，大量氣體釋放對相鄰模塊的影響，同時分析該模塊失效后左右相鄰電池的溫度變化，判斷是否存在安全隱患。且通過模擬設計密閉環境：電池模塊放置于方形陶瓷水槽中，導線均由水槽排水孔引出并用密封膠進行密封處理，上方由4個2.5kg重的壓塊及阻燃板固定密封。試驗于該模擬密閉環境下進行，驗證密閉環境下熱量積累是否會影響安全性。

2.4 方法Ⅳ

經方法Ⅲ試驗驗證，電池單體由于能量較大，失效時產生巨大的沖擊力導致陶瓷水槽上方的壓塊被頂開約5cm后重新落回，未能實現完全密封的試驗條件。

現通過采用某動力電池總成殼體作為試驗環境，將三層7P模組（SOC70%）放置于殼體內部，導線、溫感等線束由上殼體開孔引出并進行密封，殼體參照設計方案進行密封、裝配，確保最接近動力電池總成的實際使用狀態。同時左右兩側模塊采用真實電池，通過外部電源加熱開展試驗。

2.5 方法Ⅴ

基于7P模塊逐步確定電池方案后，進一步開展32P模塊的熱失穩試驗。試驗模塊為三層32P模塊（真實電池），通過外部電源（輸出電壓4.1V）對加熱絲（內阻0.4Ω）加熱，試驗于某動力電池總成殼體內的密閉環境下進行。

2.6?方法Ⅵ

通過輸出電壓4.1V的外部電源，以內阻0.4Ω的加熱絲進行加熱，綜合外部導線連接等的影響，實際加熱功率僅為30W左右，當加熱至單體失效時（約10min），周圍相鄰一圈電池受加熱絲影響，溫度均上升至90℃左右，此時中間單體失效釋放能量進一步導致其余電池溫度上升，引發熱失控反應。經分析，電池單體在發生局部內短路時，溫度迅速上升并失效。

為充分驗證該真實失效模式，通過調整加熱方式，采用輸出電壓28V的外部電源，以內阻15Ω的加熱絲進行加熱，優化外部導線連接等使加熱功率達到50W，試驗過程中加熱至單體失效時間為1min左右，電池失效瞬間其余電池溫度為50℃左右。試驗中無熱失控發生。

3?試驗開發總結

通過在試驗中不斷優化改善測試方法，逐步接近模擬真實的單體內短路失效事故，驗證該失效模式是否引發熱失控，并通過該方法開發安全可靠的電池單體，滿足整車安全要求。經試驗驗證形成熱失穩試驗方法如下：

（1）電池模組裝配：將加熱絲（內阻15Ω）緾繞在某一單體電池上，單體正極極耳附近殼體側壁上布置溫感，該單體布置于模塊中間位置，周圍相鄰六只單體分別布置溫感，模組裝配焊接。

（2）試驗方法：試驗于密閉環境下進行。試驗前將nP模塊充至SOC70%，加熱絲兩端分別通過導線與外接電源（設置輸出電壓28V）正負極相連，中間通過開關控制閉合。溫感連接至多路溫度巡檢儀用于試驗過程中監控溫度變化，閉合繼電器加熱電池單體，觀察電池在加熱過程中的反應同時監控電池模塊其余單體溫度的變化;當加熱至電池單體發生失效后斷開加熱回路，持續觀察電池溫度變化及周圍相鄰電池是否發生失效等反應。

參考文獻

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