浅析动力电池模组过充问题

汪承晔，刘英泽，罗志民，金慧芬



浅析动力电池模组过充问题

汪承晔，刘英泽，罗志民，金慧芬

（天津力神电池股份有限公司车载系统事业部，天津 300384）

安全是锂离子电池广泛应用的基础，它贯穿着锂离子电池使用的整个生命周期，过充是影响锂离子电池安全的重要因素之一，如果发生过充时不能实现有效的保护，将会发生起火爆炸等安全事故。单电芯结构简单、散热好，可以通过其内部结构设计及电芯材料配方调整相对容易实现过充保护；电池包有电池管理系统（BMS）及高压控制器件，也容易实现过充保护；电池模组是介于电池包与电芯的中间层级，其安全是保证电池包安全的最后一道有力屏障，但由于模组结构相对复杂，散热比单电芯要差，其过充保护要难于电芯。本文通过分析电芯与模组过充保护的影响因素及区别，进行对应的试验验证，分析过充过程的电压、电流、温度等数据，找到影响模组过充保护的关键因素，制定对应的改善措施及方案，实现模组的过充安全保护。

动力锂离子电池；模组；结构复杂；过充；安全

自1990年锂离子二次电池成功研制并商业化以来，锂离子电池由于具有电压高、循环寿命长、无记忆效应及无污染等优点被广泛应用[1]。近年来，市场对锂离子电池需求量与日俱增，并对锂离子电池的安全性提出了更高要求[2]。过充是影响锂离子电池安全的重要因素之一，之前的过充研究大多集中在电芯和电池包层面[3-5]，模组作为电芯与电池包的中间层级，在电池包的电池管理系统（battery management system，简称BMS）失效的情况下，模组过充的安全保护就成为保证电池包安全的一道有力屏障。模组由于没有高压器件保护，且其结构相比电芯也更加复杂，因此模组的过充保护相比电芯和电池包有很大差别，下面就模组过充保护的必要性及如何实现过充保护进行分析。

1 模组过充保护的必要性

电池模组是介于电芯与电池包的中间层级，目前车用动力电池包大部分采用标准电模组设计。电芯层级可以通过电芯内部结构设计、材料配方调整实现过充保护；电池包层级可以通过BMS控制高压开关器件实现过充保护，但是模组一般都没有高压控制单元，其结构也比单个电芯复杂。当BMS失效，高压开关无法实现有效断开的情况下，过充保护重任就转移到了模组层级，所以模组如何实现有效的过充保护尤为重要。

2 锂离子电池电芯过充保护机理分析

锂离子电池过充时，电压随极化增大而迅速上升，会引起正极活性物质结构变化及电解液分解，产生大量气体，放出大量热，使电池温度和内压急剧增加，存在爆炸、燃烧等隐患[6]，不同形状锂离子电池过充保护设计不太一样，下文以目前动力电池市场上最常见的方形电池为例进行说明。方形电池内部一般都设计了过充安全装置（overcharge safety device，简称OCSD①），电芯内部连接示意图见图1。电芯正极与OCSD连接。当电芯内部压力达到一定程度时，OCSD翻转与负极连接，这时电池正负极短路，电池内部保险丝熔断，电池极组与外部断开连接，充电电流将不再通过电芯内部极组，见图2。

3 模组过充保护机理分析

模组没有高压开关器件的控制，虽然其最终的保护也是依靠电芯内部的保护，但由于其结构与单电芯差异较大，导致其过充保护影响因素更多，下文以1P5S和2P5S模组为例来说明模组的过充保护机理。

图1 正常OCSD状态

图2 OCSD翻转后状态

1P5S模组结构如图3，5个电芯串联在一起，充电电流方向见下面箭头方向。过充测试时第一只电芯达到过充保护，OCSD翻转，这只电芯相当于在回路中形成通路（原理见上文电芯过充保护分析）。其它电芯以此类推，直到最后一只电芯OCSD翻转，整个充电回路形成一个短路状态。但实际应用过程中，由于电芯个体差异，过充时其内部产气量及OCSD翻转时间都不一样，电芯过充时产热会加速其周边电芯的产气和升温，可能会导致个别电芯泄压阀打开或温度过高（泄压阀打开后，电芯内部的锂会与空气中的水分接触起火），最终导致电池起火、爆炸。所以1P5S模组过充保护的关键前提是电芯一致性要好，5只电芯OCSD翻转时间应同时或控制在尽可能短的时间内。

图3 1P5S模组

2P5S模组结构如图4，充电电流方向见图4箭头方向。

图4 2P5S模组

2P5S模组过充保护与1P5S相比，影响因素更加复杂。下文分析了两只电芯并联后的过充保护机理。图5是正常的2P电池电气连接图，图6是2P中一只电芯因过充后OCSD翻转后的电气连接图，电芯A OCSD翻转，其相当于导线，把电芯B短路。这时电芯B在承受过充产生的热量的同时，还在承受着短路产生的热量，如果电芯B内部的保险丝不能马上熔断或者其内部OCSD不能马上翻转，电芯B极有可能会因为过热发生起火、爆炸；多并结构模组过充除了串联回路的过充压力，同时并联回路也存在着短路压力，因此多串多并模组相比多串单并模组过充保护难度更大。

图5 正常2P电池电气连接图

图6 电池A OCSD翻转后电气连接图

4 模组过充保护测试

为了验证模组结构差异对过充测试的影响，参照GBT31485—2015[7]进行过充试验，对比测试结果及数据如下文所述。

4.1 正常结构1P5S模组过充试验

正常结构1P5S模组进行过充试验，5只电芯OCSD都翻转（翻转后电压变为0 V），但翻转时间前后相差42 s（图7），在这个过程中有电芯的泄压阀被打开。在静置50 min左右时电池温度急剧升高，然后开始燃烧（图8）。

4.2 对泄压阀进行过特殊处理的1P5S模组过充试验

考虑到泄压阀打开对过充保护的影响，对试验样品的防爆阀进行特殊处理，使其在过充压力下无法打开。试验过程中5只电芯OCSD先后翻转，前后相差30 s（图9）。由于泄压阀被特殊处理过，泄压阀未被打开，静置50 min左右，电池温度未见明显升高（图10），电池未出现着火、爆炸等现象，由此证明保证泄压阀不被打开对过充保护的重要作用。

图7 正常模组过充电压曲线

图8 正常模组过充温度曲线

图9 特制模组过充电压曲线

图10 特制模组过充温度曲线

4.3 多并结构模组过充试验

为了证明多并模组的影响因素，设计了一个2P模组的过充试验，试验过程中监控2只电池各自回路的电流，试验方案见图11。

图11 多并模组过充试验连接图

过充试验过程中电芯A的OCSD先翻转，current sensor2马上监控到两只电芯并联回路上的电流，最大电流超过1000 A，很快电池因为温度过高起火爆炸（图12、图13）。

图12 多并模组过充电压、电流曲线

图13 多并模组过充电压、温度曲线

5 结 论

根据以上对模组过充保护机理及保护失效原因的分析，模组的过充保护改善可以从如下几个方面进行。

（1）精确控制电芯产气时间及产气量，过充时的产气量应控制在OCSD能翻转但泄压阀又不会打开的范围内；

（2）提升电芯OCSD与泄压阀的一致性，使其翻转或开启的压力应保持一致，模组过充时不同电芯OCSD翻转时间不能相差太长，泄压阀不会打开；

（3）改善模组串并联连接材料，当电池过充或温度过高时，可以断开串并联连接回路；

（4）改善模组串并联连接材料，当电池过充或温度过高时，可以断开串并联连接回路。

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①：OCSD是一种有一定弧度和弹性的金属机械装置，位于电池上部（靠近壳盖）。当电池发生过充时，电池内部产气，当产气量达到一定程度时，由下而上的压力迫使OCSD发生翻转。通过大量单体电池的过充试验证实OCSD可以有效起到过充保护的作用。

Analysis of overcharge problem of power battery module

WANG Chengye, LIU Yingze, LUO Zhimin, JIN Huifen

(Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd., Tianjin 300384, China)

Lithium-ion battery overcharging is a major safty issue in using, if it is not protected as overcharge occurs, there will be a safety accident such as fire and explosion. A single cell has simple structure and the heat dissipation is good, it can be easily protected by its internal structure design and battery material formulation adjustment. The battery pack has the battery management system(BMS) and high voltage control device, and it is easy to be protected from overcharge.The battery module is in the middle level between the battery pack and the cell, and its safety is the last powerful barrier to ensure the safety of the battery pack. However, the module structure is relatively complicated, the heat dissipation is relatively poor compared to the cell, and its overcharge protection is more difficult than the cell. By analyzing the influencing factors and differences of cell and module overcharge protection, carrying out test verification, analyzing the voltage, current, temperature and other of the overcharge process, the key factors affecting the overcharge protection of the module was found and formulate corresponding improvement measures and solutions was proposed to realize the overcharge safety protection of the module.

power Li-ion battery; module; complex structure; overcharge; safety

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0173

TM 911

A

2095-4239（2018）06-1135-04

2018-09-03；

2018-09-20。

国家自然科学基金项目（21771018，21701101）。

汪承晔（1980—），男，本科，从事动力电池系统和模组的性能、安全等测试评价及相关研究工作，E-mail：ct102557@lishen.com.cn。