一种纯电动汽车用热失稳安全试验方法开发

李文杰

摘 要：为确保电池单体内短路后无热失控，通过模组试验方法开发逐步实现接近真实状态下的密闭环境热失稳安全性。通过采取加热丝缠绕在某一单体电池加热方式使电池温度上升，加热丝两端分别通过导线与外接电源正负极相连，中间通过开关控制闭合。该单体布置于模块中间位置，周围相邻六只单体分别布置温感，模组装配焊接。闭合继电器加热电池单体，温感连接至多路温度巡检仪监控试验过程中监控温度变化，当加热至电池单体发生失效后断开加热回路，持续观察电池温度变化及周围相邻电池是否发生失效等反应。关键词：热失稳;加热丝;加热;短路中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：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）电池能量密度具高达240Wh/ kg～260Wh/kg，能量密度优势明显。三元电池短路时起火，最大温升速率≥150℃/s，氧化还原温度仅200℃，相比磷酸铁锂材料低出200℃。18650、21700型三元材料电池单体用于纯电动汽车上，动力电池系统约用2000～8000只电池单体。当有一只电池单体发生内短路时，瞬间释放大量热量，在IP67的密闭环境中将导致周围相邻电池温度上升并引发失效，进而引发模组、电池系统热失控，严重影響整车的安全使用。

为确保动力电池总成的安全，通过采用加热丝加热单体模拟内短路失效的热失稳试验进行验证，在开发过程中针对该试验方法不断进行开发完善，最终形成有效的、模拟真实工况的试验方法。

2 试验方法开发

为确保电池单体内短路后无热失控，通过模组试验方法开发逐步实现接近真实状态下的密闭环境热失稳安全性，确保动力电池总成的安全性。现通过采取加热丝加热方式使电池温度上升，内部隔膜在高温下发生收缩产生内部短路，验证该失效模式下电池的安全性。验证方法开发如图1所示。

2.1 方法Ⅰ

当发生内部短路时，电池自身进行放电，此时电量降低，温度持续上升时其本身能量释放，为验证极端工况下的安全性，开展SOC100%状态下的试验，电池本身作为电源进行加热，在开放体系下开展试验观察电池的失效行为并评估安全性能。

试验中单层7P（P：并联）电池经加热至失效时共约12min，此时电池经放电加热后剩余电量仅为60～70%，30～40%电量作为热量释放。该方法并未验证极端条件下满电电池失效时的安全性。

2.2 方法Ⅱ

基于方法Ⅰ试验基础，满电电池发生内短路时进行微自放电，至失效时电量剩余70%，为验证极端工况下电池的安全性，通过调整试验前的电池电量为70%，采用外部电源（输出电压4.1V）持续加热至电池失效。试验于开放体系下进行，观察单层7P模块中单体内短路后的失效行为。

2.3 方法Ⅲ

经以上方法逐步确定电池单体的设计参数后，为更有效模拟电池组的实际装配结构，采用三层7P模块叠加装配进行试验（SOC70%，左右两侧电池为空壳体），验证单体内短路失效后正极安全阀开启时，大量气体释放对相邻模块的影响，同时分析该模块失效后左右相邻电池的温度变化，判断是否存在安全隐患。且通过模拟设计密闭环境：电池模块放置于方形陶瓷水槽中，导线均由水槽排水孔引出并用密封胶进行密封处理，上方由4个2.5kg重的压块及阻燃板固定密封。试验于该模拟密闭环境下进行，验证密闭环境下热量积累是否会影响安全性。

2.4 方法Ⅳ

经方法Ⅲ试验验证，电池单体由于能量较大，失效时产生巨大的冲击力导致陶瓷水槽上方的压块被顶开约5cm后重新落回，未能实现完全密封的试验条件。

现通过采用某动力电池总成壳体作为试验环境，将三层7P模组（SOC70%）放置于壳体内部，导线、温感等线束由上壳体开孔引出并进行密封，壳体参照设计方案进行密封、装配，确保最接近动力电池总成的实际使用状态。同时左右两侧模块采用真实电池，通过外部电源加热开展试验。

2.5 方法Ⅴ

基于7P模块逐步确定电池方案后，进一步开展32P模块的热失稳试验。试验模块为三层32P模块（真实电池），通过外部电源（输出电压4.1V）对加热丝（内阻0.4Ω）加热，试验于某动力电池总成壳体内的密闭环境下进行。

2.6 方法Ⅵ

通过输出电压4.1V的外部电源，以内阻0.4Ω的加热丝进行加热，综合外部导线连接等的影响，实际加热功率仅为30W左右，当加热至单体失效时（约10min），周围相邻一圈电池受加热丝影响，温度均上升至90℃左右，此时中间单体失效释放能量进一步导致其余电池温度上升，引发热失控反应。经分析，电池单体在发生局部内短路时，温度迅速上升并失效。

为充分验证该真实失效模式，通过调整加热方式，采用输出电压28V的外部电源，以内阻15Ω的加热丝进行加热，优化外部导线连接等使加热功率达到50W，试验过程中加热至单体失效时间为1min左右，电池失效瞬间其余电池温度为50℃左右。试验中无热失控发生。

3 试验开发总结

通过在试验中不断优化改善测试方法，逐步接近模拟真实的单体内短路失效事故，验证该失效模式是否引发热失控，并通过该方法开发安全可靠的电池单体，满足整车安全要求。经试验验证形成热失稳试验方法如下：

（1）电池模组装配：将加热丝（内阻15Ω）緾绕在某一单体电池上，单体正极极耳附近壳体侧壁上布置温感，该单体布置于模块中间位置，周围相邻六只单体分别布置温感，模组装配焊接。

（2）试验方法：试验于密闭环境下进行。试验前将nP模块充至SOC70%，加热丝两端分别通过导线与外接电源（设置输出电压28V）正负极相连，中间通过开关控制闭合。温感连接至多路温度巡检仪用于试验过程中监控温度变化，闭合继电器加热电池单体，观察电池在加热过程中的反应同时监控电池模块其余单体温度的变化;当加热至电池单体发生失效后断开加热回路，持续观察电池温度变化及周围相邻电池是否发生失效等反应。

参考文献

[1] 陈新传，吴峰，宋强.锂离子电池应用于潜艇动力可行性分析[J].船电技术，2011年06期.

[2] 方谋，赵骁，陈敬波.从波音787电池事故分析大型動力电池组的安全性[J].储能科学与技术，2014年01期.

[3]文峰.锂离子电池滥用条件下的安全性研究[J].电源技术，2013年12期.

[4] 欧阳陈志，梁波，刘燕平.锂离子动力电池热安全性研究进展[J].电源技术，2014年02期.