动力电池热失控方法研究

秦李伟，赵久志，吴国辉，吴飞驰

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

动力电池热失控方法研究

秦李伟，赵久志，吴国辉，吴飞驰

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

通过电阻丝加热和针刺方法使动力电池内短路，研究动力电池的热失控方法。试验结果表明：不同试验方法触发电池内短路引发的热失控对相邻电池的影响不同，针刺方法比电阻丝加热更适合于动力电池热失控验证，电阻丝加热产生的热量增大了动力电池发生热失控的机率。

热失控；针刺；电阻丝加热

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.005

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-13-04

引言

动力锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、额定电压高、功率承受力高和自放电效率低等优点，成为混动动力汽车和纯电动汽车的理想动力电池，但是锂离子电池的安全问题成为阻碍其广泛应用于动力领域的主要因素[1]。截止到2015年底，中国电动汽车的保有量已突破50万辆。随着电动汽车保有量的增加，其安全性问题日益凸显，而电动汽车的安全性问题主要来源于它的动力系统——锂离子电池。锂离子电池的安全问题主要是由热失控引起的起火、爆炸等[2]，而引起热失控的原因之一是电池内部发生短路。

目前对于锂离子电池热失控的研究主要集中于一种类型电池的建模分析和试验分析[3-5]，本文针对18650型电池和方形电池采用不同的方法，模拟电池模块中单体内短路引发热失控，探索适合动力电池模块热失控验证的方法。

1、单体内短路

一般情况下，滥用试验中发生内部短路的危险性最大。电池发生内部短路时，内部温度升高。高温会诱发电池材料发生一系列放热反应，反应产生的热量促使电池内部温度进一步升高而加剧放热反应速率。最终，放热反应和高温两个方面相互影响，呈现一种失控状态， 即热失控，从而引起锂离子电池发生燃烧、爆炸等安全事故[6-7]。目前，电池的内短路主要由以下2种原因造成：第一隔膜缺陷、原材料被污染或者是外来物体的残留等缺陷在电池的运输和使用过程中会被不断恶化和放大。现阶段，即使是有着最好的质量控制的电池生产商都不能完全避免生产过程中产生的金属杂质或毛刺；第二电池的使用超出了生产厂商规定的电流、电压和温度适用范围[8]。一个能被业界所普遍接受的测试内短路的方法应该具备以下特征：1、能够适应电池的结构和形状的变化（圆柱形或方形电池都可以使用）；2其测试结果要能够和其他变量的测试结果进行对比。各种内短路可归纳为以下四类：负极到正极，负极到铝箔，铜箔到铝箔，铜箔到正极，如图1所示[8]：

2、单体内短路方法介绍

本文采用具有相同正极材料的18650型电池和方形电池进行试验模拟，试验电池内短路触发方法为电阻丝加热和针刺。

2.1 电阻丝加热

采用电阻丝加热方法模拟电池因环境温度剧烈变化引发的锂离子电池热失控。电池隔膜是由PP/PE/PP三层隔膜组成，其中PP的熔点为165℃，PE的熔点为135℃[9]。通过将电阻丝缠绕在锂离子电池表面进行加热，迅速产生的大量的热量，使隔膜发生变形收缩，正负极连接，引发电池内短路，最终引发电池热失控。

2.2 针刺

通过钢针穿刺锂离子电池模拟电池内部的金属异物引发锂离子电池热失控。钢针刺入电池后，作为金属导体连接了正负极，使电池发生内短路，短路位置将产生大电流，并迅速产生大量的热量，最终引发电池热失控。

3、动力电池模块热失控验证方法

3.1 电阻丝加热

3.1.1 18650电池

试验采用某18650电池。通过计算将一定内阻的电阻丝缠绕在电池表面，并在该电池壳体外侧布置温度传感器，然后将此电池布置于电池模块中央位置，与该电池相邻的电池也布置相同的温度传感器。电池采用并联组装成模块后，采用厂家规定的充电方法将电池充至满电。将电阻丝连接至外接电源，温度传感器连接至温度巡检仪；记录电池模块初始状态（电压、温度等），持续加热电池至其发生失效，断开外接电源，观察模块是否发生热失控。试验设备和模块状态如图2所示：

3.1.2 方形电池

试验采用某方形电池。将与上述相同的电阻丝，缠绕在电池表面，并在被加热电池表面和相邻电池表面布置温度传感器，电池组成模块后按厂家规定充电方法将模块充至满电。加热方式和温度记录与上述试验相同，持续加热电池至其发生失效，断开外接电源，观察方形电池模块是否发生热失控。试验模块如下图3所示：

3.2 针刺

3.2.1 18650电池

试验采用某18650电池。选择针刺电池的位置（如图4），在此电池和相邻电池表面布置温度传感器。电池按并联组装成模块后，采用厂家规定的充电方法将电池充至满电。将模块固定于针刺台架上，连接好温度巡检仪。使用直径1mm的钢针以1mm/s的速度穿刺电池至其起火，观察模块是否发生热失控。

3.2.2 方形电池

试验采用某方形电池。选择针刺电池的位置（如图5），相邻电池表面布置温度传感器，电池组成模块后，按厂家规定充电方法将电池充满电。使用直径1mm的钢针以1mm/s的速度穿刺电池至其起火，观察模块是否发生热失控。

4、动力电池试验结果及分析

4.1 电阻丝加热

4.1.1 18650电池

样品一、被加热电池持续加热过程中，安全阀打开泄压，继续加热电池，电池从正负极两端爆开，有明火喷出，持续约3秒后，有大量浓烟冒出。从图6可看出被加热电池持续加热1分45秒后，温度升至135℃，电池爆炸，温度迅速升至690℃左右。这是因为被加热单体隔膜持续收缩，隔膜收缩后正负极接触，发生内短路并产生大量的焦耳热，大量的热量又进一步促进了电池内部的反应，最终导致单体失控。系）在被加热电池爆炸前，由于电阻丝的热辐射使相邻电池温度由35℃增至110℃左右，断开外接电源后，相邻电芯温度有下降趋势。当被加热电池爆炸后，电池温度迅速下降，而相邻电池温度则缓慢上升至所有电池温度相同。

样品二、被加热电池在试验开始120s后发生起火爆炸，温度迅速攀升到660℃左右。相邻电池温度缓慢爬升，在试验开始3min后，两枚电池发生热失控，之后6min内所有电池发生热失控。样品二与样品一区别在于电池间距变小。由图7可以看出电池温度迅速攀升是在160℃左右，这是因为单体内部隔膜受热变形、收缩导致正负极连接，发生内短路，产生很大的电流，并迅速产生大量的焦耳热所致。

4.1.2 方形电池

样品一 闭合开关加热电池，当被加热电池温度上升至200℃左右时，安全阀冲开泄压，温度下降至190℃，继续加热电池单体，相邻电池安全阀相继冲开（被加热电池未发生爆炸），温度均达到300℃，其中一只电池单体（最外侧）安全阀冲开时喷火、电解液燃烧，但模块未发生爆炸，这说明安全阀起到了非常好的泄压作用，使电池在内短路大量产气后及时排出气体，避免电池发生爆炸。

样品二 闭合开关加热电池，电池温度持续缓慢上升，从图8可以看出，整个模块温度最高上升至142℃，试验过程中所有单体温度上升趋势一致，这是因为方形电池单体之间传热面积大，加热过程中，热量同时辐射给了两侧的单体。被电阻丝缠绕电池在142℃左右，安全阀打开，电池温度下降，而该电池单体两侧单体温度也随之下降。升温过程持续时间约40min，电池模块未发生热失控。

4.2 针刺

4.2.1 18650电池

如图9所示，针刺前检测电池温度为25℃，电池被钢针穿刺后大量冒烟并喷火，（2）被针刺电池发生热失控，这是因为钢针刺入后连接了电池正负极，形成内短路，并迅速产生大量焦耳热，大量的热量又进一步促进电池内部的化学反应。电池最高温度达到630℃左右，随后电池温度逐渐下降，相邻电池温度则缓慢上升，最高达到120℃左右。试验过程中，模块未发生热失控。

4.2.2 方形电池

如图10所示，针刺前检测电池温度为30℃左右，电池经钢针穿刺后产生大量气体，被针刺电池最高温度达到105℃，随后电池温度逐渐下降，相邻电池温度则缓慢上升，最高达到100℃，模块未发生热失控。

5、结论

通过对18650电池和方形电池开展电阻丝加热和针刺试验，使模块中电池内短路，模拟电池模块中电池发生热失控，探索合适的热失控验证方法，得出以下结论：

（1）对比针刺和电阻丝加热试验，我们发现对同一种电池，电阻丝加热触发的内短路使电池温度上升更高，我们认为这是电阻丝加热引入的热量所致；

（2）电阻丝加热过程中，会给相邻电池带入大量热量，如果模块间距较小，极有可能使被加热电池和相邻电池都发生热失控，从而导致试验模拟失败，因此我们认为针刺方法是更适合18650电池和方形电池模块热失控安全性验证的方法；

（3）泄压安全阀在电池内短路时，能够降低电池内部压力和温度，防止电池发生热失控，起到保护作用；

（4）电解液高速喷出时引发的起火并不是导致相邻电池温度上升和失效的主要原因。

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Research on Thermal Runaway Method of Dynamic Battery

Qin Liwei, Zhao Jiuzhi, Wu Guohui, Wu Feichi
（New energy vehicle academy, Technical Center, AnHui JiangHuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

Two methods of the internal short circuit of the dynamic lithium-ion battery were carried out to research the thermal runaway of the dynamic lithium-ion battery。The results show that the thermal runaway of the dynamic lithium-ion battery performs differently at the different test methods. The nail penetration is more suitable for the dynamic lithium-ion battery than the heating by the resistive wire and the heating of the battery will generate more heat，witch make the thermal runaway of the dynamic lithium-ion battery easier.

thermal runaway; nail penetration; resistive wire

U467.3

A

1671-7988(2016)10-13-04

第一作者：秦李伟（1983.10-），男，硕士，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，新能源汽车研究院。主要从事电动汽车电池系统设计研究。

吴国辉（1989.3-）男，本科，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，新能源汽车研究院。主要从事电动汽车电池系统设计研究。