熱失控及熱擴散試驗方法解析-PI高溫電熱片
引言
5月12日,GB38031《電動汽車用動力蓄電池安全要求》、GB38032《電動客車安全要求》及GB18384《電動汽車安全要求》三項電動汽車強制性標準發布,將于2021年1月1日正式實施,意味著當前在研階段及將要上市的電動車及其動力電池系統均需按照新標準進行測試。
三項強標中的共同之處在于對電動車用動力電池系統安全的關注及要求,鋰電池的安全問題主要是由于熱失控引發的起火、爆炸等,GB38031及GB18384兩項標準中提出的是熱擴散試驗的方法及要求,而GB38032標準中是熱失控試驗方法及要求,但熱失控和熱擴散是兩個概念,熱失控指的是電池單體放熱連鎖反應引起電池溫度不可控上升的現象;熱擴散指的是電池包或系統內由一個電池單體熱失控引發的其余電池單體接連發生熱失控的現象。換言之,二者針對的測試對象不同。
熱失控試驗解析
熱失控試驗的測試對象為電池單體,其目的是為了考核電池單體在極限濫用等情況下是否會發生起火、爆炸。對于電池單體來講,熱失控的主要原因是電池內部發生短路,可以引發熱失控的方法有針刺、加熱、過充等,但針刺目前存在眾多爭議,針刺試驗結果未出現熱失控的電池單體未必是合格的,可能并沒有造成內部短路的發生,此時就不能作為熱失控試驗結果判定的依據了;在新發布的GB38032標準中,熱失控的試驗方法是采用過充+加熱的方式,即采用滿充電的電池單體,以1C繼續充電12min,接著啟動加熱裝置,加熱至熱失控或者監測溫度達到300℃,停止加熱,以這樣較為嚴苛的條件進行考核,觀察電池單體是否發生熱失控。
在試前需要根據樣品對加熱裝置進行選擇,加熱裝置包含加熱板、薄膜加熱片、加熱棒、加熱絲等,根據樣品的能量選擇加熱裝置的最大加熱功率,且加熱裝置的尺寸規格不能大于被加熱面,同時在測試過程中為對更好地分析溫升情況,除加熱板對側的溫度傳感器布置作為監測點外,一般也會監控電池極耳、側面中心等位置的溫升情況。以某一電芯熱失控為例,如下圖2.1中電芯熱失控試驗過程中電池電壓及各個位置的溫度變化,當電芯電壓迅速降低至0V時,電芯內可能隔膜發生變形或收縮等,導致內短路,而此時電池表面的溫度及溫度變化并沒有達到熱失控的條件,而加熱板對立面作為熱失控判定的監測點,其溫度及溫度變化速率全程均未達到熱失控條件,電池未起火、爆炸。
圖2.1 電芯熱失控試驗
該熱失控試驗搭建需關注正、負極電壓采集線間的絕緣情況,以避免溫升高正負極電壓采集線的橡膠材料融化或正負極采樣線未隔離開等原因,引起電壓降或者短路而造成試驗失敗的情況出現。而溫度變化速率作為熱失控判定的必要條件之一,溫度傳感器的精度及穩定也對試驗結果有一定的影響,應注意溫度傳感器的選用。
熱擴散試驗的測試對象為電池包或系統,觸發其中某一電池單體產生熱失控,進而觀察擴散至其他單元的時間,其目的是為了考核當其中一只電池單體熱失控發生警報后,熱量擴散至相鄰單元引發危險之前是否留有5min的乘客逃生的時間。GB38031標準中推薦的觸發熱失控的方法為針刺和加熱兩種,如采用其中一種方式觸發且未發生熱失控,不能直接作為判定通過的依據,需證明采用針刺和加熱兩種方式進行觸發均不會發生熱失控。
熱擴散試驗需要對電池包或系統進行改裝,觸發對象的選擇較為關鍵,在選擇被其他電池單體圍繞的基礎上,可選擇靠近BMS的位置,可研究熱失控的發生對BMS的影響,造成通訊失效的時間;亦可選擇在實際充放電過程中溫升最高,最容易發生熱失控的位置等;溫度采集、電壓采集、以及必要的氣壓采集線束布置,模組改裝,殼體密封等環環相扣,保證有效改裝,避免改裝因素影響熱失控的判斷。
針刺觸發考核的是鋼針作為導體連接電池單體內部的正極和負極造成短路而可能引發的熱失控,因此鋼針無法刺破電池包殼體的這種保護不作為此試驗的關注點,反而是需提前在針刺位置開孔,如下圖3.1,以便于直接針刺單體。
圖3.1 電池包針刺點
加熱觸發則需考慮加熱裝置的選擇,可參考上述電池單體熱失控方法介紹,同時也可選擇一種塊狀加熱裝置來替換其中一個電池單體,直接接觸加熱觸發臨近的一個單體。
除新國標中的5min逃生時間的考核之外,熱擴散試驗還可用來研究熱失控分別擴散至電池包內其他單元的時間,從而研究相對應的應對方案 。下圖3.2及圖3.3為某一電池包熱擴散試驗結果,結合溫度變化曲線(圖3.2)、電池電壓變化曲線(圖3.3)以及現場視頻,可以清晰地看出不同位置電池發生異常的時間、發生熱失控的時間以及冒煙、起火的時間。而觸發對象位置的不同,熱擴散的結果亦不同,應盡量選擇最為嚴苛或代表性的位置進行。
圖3.2 熱擴散試驗電池包內各個位置溫度變化曲線
圖3.3 熱擴散試驗電池包內各個電池電壓變化曲線
結語
綜上,熱擴散試驗仍有很多注意要點值得我們去進一步研究,本文主要介紹了熱失控和熱擴散試驗方法,主要是參考國家標準以及試驗過程中可能產生的影響因素來進行分析。