动力电池热失控测试及热防护研究分析

奚杰　聂永福

摘 要：为了提高动力电池的热安全性能，减少热失控时造成的危害，需要在动力电池系统端进行有效的热防护及热预警设计。本文通过加热触发的方式，对电芯和模组在热失控时的电压、温度、释能特性进行了研究分析，明确了其热失控特性的演变历程，以此优化动力电池系统热安全设计策略。

关键词：热失控 热防护 动力电池 触发模组

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

近年来，伴随着高载能电动汽车销量的增长和高镍体系电池的普及应用，电动汽车发生起火等严重安全事故的频率也表现出明显的上升趋势。据不完全统计，在电动汽车安全事故原因中，因电池热失控造成的问题占比较高。从锂离子动力电池本身来说，其发生热失控主要是由于因电池内部短路、副反应等产生的热量无法及时散出，造成电池内部热量不断积累，从而引发单体电池温度急剧上升，进而加热临近的电芯，造成系统的热蔓延，严重的会导致整个电池系统甚至整车的起火或爆炸事故[1]。另一方面，随着动力电池尺寸、容量和能量密度的不断增加，单体电池在热失控时释放的能量及爆破力也会成倍增加[2]。因此，本文通过对目前市面上普遍使用的大容量的动力电池及对应的模组在热失控中特性参数的变化分析，以期望在动力电池组设计和生产中采取相应的防护措施时起到参考作用。

2 实验

2.1 实验对象

本实验的研究对象为高比能量的51Ah三元软包动力电池及2P6S标准模组。

2.2 实验设备

绝热加速量热仪ARC、多路温度记录仪、300W加热膜。

2.3 实验方法

电芯测试：（a）将电芯以0.33C恒流恒压充电至100%SOC状态，常温静置≥4小时;（b）在电芯表面利用导热胶固定多个温度采集点;（c）利用ARC进行实验：以0.05℃/min，加热至55℃后，再以0.05℃/min加热，每升高5℃，等待30～60min，若检测到电池温升速率为0.02℃/min，则电芯自生热开始。

模组测方案：（a）将测试模组以0.33C恒流充电至100%SOC状态，常温静置≥6小时;（b）利用300W的加热膜给触发电芯进行加热;（c）记录模组电压及温度变化。

3 结果与讨论

3.1 电芯ARC测试

本文选取一款三元软包电芯进行单体的热失控实验，以评估单体电芯热失控时温度及电压等特性参数的演变规律。图1（a）中为触发电芯的简易图，其中在电芯的表面共计布置了7个温度传感器，分别为电芯的正负极极耳处（T1/T5）、电芯大面中轴线1/4处（T2/T3/T4）和电芯侧面中心处（T6/T7）。图1（a）为触发电芯的温度和电压随时间的变化，图1（b）为电芯大面T3的温升速率。结合实验结果来看，在温度小于55℃范围内电芯的温度随着加热的进行逐渐升高，在加热-等待-搜索过程中当温度超过80℃时电芯出现了自生热现象。随后当温度大于150℃时，电池的温升速率已达到1℃/min。当电池温度达到200℃时，温升速率已高达1℃/S，并还在持续上升，最终温度发生突升且电压瞬间下降至0V，电芯热失控发生。从记录的数据来看，电芯热失控时最高温度达到725℃，释放的能量相对来说不高，电芯的残渣也保留相对完整，总体质量损失约30%。从热失控机理来说，电芯主要是由于外因或内因导致电芯内部产热并逐渐在内部积聚，进而诱发了一系列的副反应，而这些副反应会进一步导致锂离子电池内部的热量积聚，压力增大，最终导致锂离子电池起火爆炸，形成严重的热安全问题。因此，进行电芯的热失控评估，在热失控监测策略及结构设计防护时具有必要的指导

意义。

3.2 模组热失控测试

本文通过300W加热膜触发模组最外侧单颗电芯，以便研究当单体或少量电池热失控触发后能量向外界蔓延的情况，以及其带来的次生安全问题。此外，温度传感器的布置如图2（a）所示，每2P1S模块中两颗电芯之间的中心处布置一个温感，共计6个温感（TS1～ TS6），T加热膜为加热膜的温度，NTC1和NTC2为模组自带的温感，其通过BMS进行采集。从图2（b）所示的温度变化趋势可以观察到，触发电芯在200℃左右时温度表现出急剧上升的趋势。此外，测试时观察到模组外部铝壳体出现膨胀，并从端板处释放大量的烟雾，并在3S后端板处出现约45o方向的喷射火焰。从热蔓延的情况来说，从TS1到TS6时间间隔分别为61S、36S、18S、25S、42S，每蔓延至一串电芯，则模组间歇性地向外界释放能量。从模组自带的NTC2（采集第2串）温度上升趋势来看，其温度达到200℃的时间点略晚于触发发电芯约25S，且温度上升相对平缓，可能是由于向外界散热造成的。NTC1（采集第4串）温度上升点几乎与T3保持一致。另外，从失控模组的残渣来看，除部分塑料件熔融外，整体金属框架保持完整状态。从模组内部电芯热蔓延的情况来说，可以在模组的第2串和3串、4串和5串增加一定厚度的气凝胶，可以有助于延缓热量的传递。可以根据模組热失控时热量的喷射方向及温度情况，在电池包上壳体内表面可以适当喷涂一定厚度的隔热材料，当然该涂层不易过厚，否则不利于电池包正常情况下的散热。

4 结语

动力电池的热安全性能提升，需从电芯的热稳定性、热蔓延传递的方向、模组热失控的能量释放等多维度的分析，才可以有效地指导系统的热扩散防护设计及热预警策略的制定。本文通过电芯和模组的层级的实验，分析了电芯和模组热失控及热扩散的发生及演变规律，便于后期系统层级的热防护设计。

参考文献：

[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]刘磊，王芳，高飞，等.锂离子电池模组热失控扩展安全性的研究[J].电源技术，2019.