鉅大LARGE | 點擊量：483次 | 2024年01月12日
動力鋰離子電池?zé)釘U散測試標(biāo)準(zhǔn)和方法介紹
動力鋰電池的火災(zāi)一般都是由一個或者幾個電芯的熱失控開始的，所以我們研究電芯的熱失控很必要。
常見的熱失控原因包括三大方面，濫用、電池老化，電池使用過程當(dāng)中有很多的變化。第三點就是制造過程當(dāng)中的缺陷，目前制造缺陷其實是很難防止的，雖然是PPM級的，但是當(dāng)我們把電池單體集成成系統(tǒng)之后，這個比例其實也是比較高的。
第一個方面，有關(guān)濫用過程當(dāng)中造成的內(nèi)短路情況，再細(xì)分包括機械濫用、電濫用、熱濫用，以己多種應(yīng)力綜合用途下的濫用情況，這些情況在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)當(dāng)中已經(jīng)做了相應(yīng)要求，但是對電池老化過程當(dāng)中一些結(jié)構(gòu)損傷或者直徑生長，以及制造缺陷造成的內(nèi)短路，現(xiàn)在的法規(guī)沒有要求，以現(xiàn)在的技術(shù)手段也比較困難提前預(yù)知這樣的情況發(fā)生。所以這種情況下，我們提出了熱失控以及熱擴散的測試項目，這個情況SAEJ2464以及UL2580已經(jīng)對熱擴散有相應(yīng)要求了。
目前，無論是單體電池還是電池系統(tǒng)，能量密度都逐步提高，根據(jù)我們測試的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)使用狀態(tài)下，同樣倍率充放電的時候，電池的能量密度越高，熱穩(wěn)定性相對來說會變差一些，也就是更容易發(fā)生熱失控。基于這樣的考慮，新的國標(biāo)把熱擴散項目引進來，通過現(xiàn)行國標(biāo)以及即將要公布的國標(biāo)項目比較我們發(fā)現(xiàn)，新國標(biāo)當(dāng)中其實是弱化了對單體電池的要求，同時刪除了對模塊的要求，但是在電池系統(tǒng)當(dāng)中是新增了熱擴散以及過熱保護。其實熱擴散是一個比較關(guān)鍵的項目，而且我個人覺得熱擴散項目基本上可以認(rèn)為是關(guān)于動力鋰電池以及電池系統(tǒng)，乃至電動汽車整車的一個安全性綜合測評項目，可以說是為了保護人員最后的一道防線。
第二部分簡單介紹一下現(xiàn)行的相關(guān)熱擴散的一些測試標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，第一個方面是SAEJ2464，測試對象要求模塊和電池包，測試目的很明確，要求單個電池發(fā)生熱失控事件的時候，系統(tǒng)具備防止熱失控事件傳播到相鄰電池的能力，也建議制造商先在電池模塊進行測試，我們在國內(nèi)很多公司也是這樣的思路，先從模組層級進行測試。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
測試方法，相比現(xiàn)在我們制定當(dāng)中的國標(biāo)是略高一些的，要求電池是百分之百SOC，同時在55度或者電池最高工作溫度狀態(tài)下進行測試，同時要求五分鐘內(nèi)加熱到400度或者說電池發(fā)生熱失控。當(dāng)然也可以公司供應(yīng)自己的方法，只要把熱失控的方法比較詳細(xì)描述出來即可，標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中推薦了五個測試位置，測試中要記錄的數(shù)據(jù)包括溫度、電壓等以及照片視頻，還有就是一些實驗現(xiàn)象，包括起火爆炸以及有毒物質(zhì)泄露。
這幅圖展示的是2464當(dāng)中推薦的五個我們可以選取的觸發(fā)點，僅僅是一個示意而已，因為實際當(dāng)中電池外形結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比這個復(fù)雜，僅供我們參考。
第二個標(biāo)準(zhǔn)是UL2580，這個標(biāo)準(zhǔn)直接引用了2464的測試方法，進行測試的時候電池樣品不能發(fā)生外部起火或者爆炸的。
EVS-GTR電動汽車安全全球技術(shù)法規(guī)，目前一階段的工作成果，形成了一個文檔，用來說明由于內(nèi)短路，并且在附錄當(dāng)中供應(yīng)了我國和日本共同研究的測試程序，作為參考。二階段現(xiàn)在的工作正在研究當(dāng)中，重要內(nèi)容包括熱失控測試方法的研究，我們要在二階段獲得高重復(fù)性的觸發(fā)方法。研究測試設(shè)備的影響，以及在二階段明確基本原則，什么樣的測試條件或者說什么樣的改動可以接受。再研究一些潛在的熱失控觸發(fā)方法，也是為了獲得更好的實驗重復(fù)性。
最后研究判斷熱失控是否通過的合理性，并且最終形成判定條件。
這是我們中方工作計劃，重要內(nèi)容包括四個部分，包括觸發(fā)方法研究，以及判定條件研究，還有同一方面，實驗結(jié)果可重復(fù)性，以及不同方法實驗結(jié)果的等小型的研究，最后是熱擴散項目判定條件研究。首先要研究不同的觸發(fā)方法，明確不同觸發(fā)方法的參數(shù)，獲得高重復(fù)性的實驗方法。以加熱作為一個例子來介紹，其實影響我們實驗結(jié)果有很多條件，其中加熱功率和加熱位置是對結(jié)果影響最大的兩個關(guān)鍵因素，所以我們會把這兩個參量拿出來設(shè)計實驗，說到重復(fù)性，只是一個語言表述上的東西，沒有量化含義，為了更好評估重復(fù)性，做了一個數(shù)量化含義，用加熱時間和熱失控溫度，這兩個熱失控發(fā)生過程當(dāng)中比較關(guān)鍵的參量的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)作為評判實驗方法可重復(fù)性依據(jù)。
當(dāng)我們開展了大量實驗之后，可以通過比較加熱時間以及熱失控溫度的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，即重復(fù)性的好壞來獲得重復(fù)性較好的實驗條件，進一步我們可以通過其他的約束條件，比如說加熱時間，以及系統(tǒng)當(dāng)中引進能量多少，縮小目標(biāo)范圍，我們希望最終獲得加熱功率與電池能量以及電池重量之間的函數(shù)關(guān)系，或者說之間的函數(shù)關(guān)系范圍。以便我們在后續(xù)實驗當(dāng)中給所有的機構(gòu)參考，從而獲得比較好的實驗可重復(fù)性。
為了開展這個工作，我們做了一個測試計劃，每款電池要做兩百個以上的實驗，工作量很大，這可能也是我們后期工作的難點。目前我們也是在進行理論上的一些分析，以及結(jié)合一些仿真工作，想辦法降低實驗量的工作。簡單介紹一下已經(jīng)開展的工作，這是一個18650的電池，選擇了80W、100W、120W的加熱功率，進行加熱觸發(fā)熱失控。最關(guān)鍵的量是標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，可以看到80W加熱條件下，兩個標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)都是比較低的，重復(fù)性相對來說更好，當(dāng)然了這個實驗條件很少，我們要更大量的實驗獲得最好的條件。把三個實驗溫度曲線放在一起，我們可以看到結(jié)果比較一致，80W加熱的時候，可重復(fù)性直觀上看還是比較好的。這是我們現(xiàn)在開展的工作，后續(xù)還有很多工作要做。
第三部分是我個人對國標(biāo)當(dāng)中熱擴散的理解，這部分可能也是很多公司現(xiàn)在比較關(guān)注的點。因為熱擴散畢竟是新項目，而且是半開放的項目，其中有很多不確定的東西，國標(biāo)當(dāng)中基本要求和前面的標(biāo)準(zhǔn)是一致的，電池系統(tǒng)由于單個熱失控進而導(dǎo)致乘員艙發(fā)生危險前五分鐘要發(fā)出熱事件報警信號，對國標(biāo)當(dāng)中危險的理解是起火爆炸，暫時沒有把煙霧進入乘員艙作為危險（電池系統(tǒng)作為測試對象），公司可以把它當(dāng)做一個要求。因為這個項目是半開放項目，所以要公司和測試機構(gòu)共同來完成，并且要公司供應(yīng)比較多的說明材料，以及設(shè)計和技術(shù)文件。測試機構(gòu)會依據(jù)公司相關(guān)設(shè)計以及論證方法開展相應(yīng)的熱擴散實驗。這一頁展示了公司要供應(yīng)的一些文件，相對來說詳細(xì)一點的要求，重要就是包括報警信號以及說明電池包和系統(tǒng)安全性的技術(shù)文件，這個技術(shù)文件其實涵蓋的內(nèi)容比較多，包括我們對風(fēng)險的分析，以及應(yīng)對風(fēng)險的策略，包括結(jié)構(gòu)上的設(shè)計、功能上的設(shè)計，以及這些功能的實現(xiàn)途徑等等。
這是把我們在開展熱擴散實驗過程當(dāng)中可能遇到的不同情況進行了匯總，應(yīng)該有五種可能的情況，從最左上角的電芯開始，假如電池本身通過不同的觸發(fā)方法并不能觸發(fā)熱失控的話，這個項目，這是我目前的理解，最終標(biāo)準(zhǔn)沒有公布出來，對征求意見稿的理解，當(dāng)電芯不能觸發(fā)熱失控的時候，可以認(rèn)為是直接通過了，當(dāng)然這也是要通過實驗去驗證的；假如電芯可以觸發(fā)熱失控，又分了幾種情況，電芯檢測到熱失控，發(fā)出報警信號，只有一個電芯發(fā)生熱失控，但是沒有擴散，沒有出現(xiàn)危害，沒有發(fā)生起火和爆炸，這種情況是通過的。假如發(fā)出報警信號，電池發(fā)生了熱擴散，但是同樣沒有發(fā)生危害，也是通過的，還有第二種和第三種情況，發(fā)生了熱擴散，出現(xiàn)了危害，這個時候判斷是否通過的條件就是發(fā)出報警信號和危害之間的時間間隔，T小于5分鐘的時候是不通過的，T大于5分鐘是通過的，就是剛剛標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中說的提前五分鐘給乘客發(fā)出報警信號，提醒乘客逃生。
這個過程當(dāng)中還有幾個關(guān)鍵概念，包括熱失控，熱失控檢測以及報警信號，我們了解熱失控的含義不可控的放熱反應(yīng)，我們實際測試當(dāng)中，其實是很難實現(xiàn)的，因為就是一個簡單描述，所以國標(biāo)中我們給出了一個推薦判斷熱失控條件，為何說是推薦，剛才塔菲爾講了不同的材料不同的體系不同的設(shè)計，可能電池性能差別很大。雖然電池發(fā)生熱失控的時候溫度是急劇新增的，假如我們定量分析的話，這之間的溫度也會有比較大的差別，所以現(xiàn)階段不太容易給出一個非常明確的含義。所以說這塊標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中給了一個開口，這個熱失控含義可以由公司自己來含義。
這一頁是對報警信號的理解，因為報警信號直接決定了時間間隔T，到底是不是通過，報警信號是非常關(guān)鍵的一個點，報警信號具體會發(fā)生在什么時候，一般公司設(shè)置包括四種情況。在圖中假如說以虛線的紅色框作為熱失控發(fā)生實際的點，報警信號可能會在熱失控發(fā)生過程當(dāng)中，或者說熱失控發(fā)生之后發(fā)出報警信號，這種情況是允許的，這種時候一定是確認(rèn)了電池發(fā)生熱失控了，但是假如報警信號發(fā)生在熱失控實際發(fā)生之前，有兩種情況，一種情況是報警信號發(fā)出了，沒有發(fā)生熱失控，這種情況下不允許，只有當(dāng)電池發(fā)生熱失控之后，才會認(rèn)為實驗是正?？山邮艿摹?/p>
歸納起來講，報警信號的發(fā)出時間沒有明確要求，但是報警信號發(fā)出之后我們的觸發(fā)條件要停止，但是一定要確保電池不要發(fā)生熱失控。
第四點，幾種觸發(fā)電池內(nèi)短路、熱失控的方法。這一頁PPT去年報告當(dāng)中也有用到，簡單介紹一下，重要包括理論上模擬內(nèi)短路情況，我們制造電池內(nèi)部的一些缺陷，不管是引入一些雜質(zhì)，還是說制造隔膜缺陷，這是一種方法，但是這種方法要電池廠在生產(chǎn)階段就做相應(yīng)的設(shè)計和處理，所以說實踐難度還是比較高的。
剩下的幾種方法，包括針刺、加熱、過充，很多過充是無效的，很難觸發(fā)熱失控，現(xiàn)在關(guān)注點是在針刺和加熱。還有其他的方法，激光、自加熱等等。
介紹一個自加熱方面，是把一個熱電阻連接在電池正負(fù)極，通過電池自己短路的熱量來加熱電池觸發(fā)熱失控。這個方法現(xiàn)在正在驗證階段，大家可以驗證一下這個方法的可行性
第五點是熱擴散測試的注意事項。分成試驗前、試驗中和試驗后，大家想象一下，煙很大，火也很大，在做這個試驗過程當(dāng)中，試驗前為了盡可能小的對電池進行改動，要一些線束可以通過電池標(biāo)原有的高低壓接口進行連接的，假如我們做加熱實驗，假如額外打孔或者從密封結(jié)構(gòu)引線進去的話一定會破壞電池密封結(jié)構(gòu)，因為做試驗過程當(dāng)中并不要用到電池的正負(fù)極，我們在做改造的時候，其實可以直接利用動力線束把加熱線引進去的，這樣的話沒有破壞電池外殼密封的條件下做試驗。很有可能準(zhǔn)備過程當(dāng)中就會破壞一些傳感器，我們額外的做一些冗余就會更好的幫助我們獲得數(shù)據(jù)。試驗過程當(dāng)中一般會出現(xiàn)大量的有毒和可燃的煙氣，要考慮排風(fēng)以及尾氣處理，另外就是試驗過程當(dāng)中可能會起火和爆炸，要做好相應(yīng)的防護和滅火處置工作。
試驗后，因為試驗后的樣品可能沒有完全發(fā)生熱失控，也就是有一部分電池可能還有一些殘余能量，我們首先要把能量釋放盡再做后續(xù)處理。
有關(guān)有毒可燃?xì)怏w研究，我們基于國家重點研究計劃的課題在做，也是在和解放軍陸軍學(xué)院在做一些項目合作。前期重要研究了不同的電池發(fā)生熱失控的一些氣體種類和含量，的確會出現(xiàn)一些有毒物質(zhì)，當(dāng)我們在同樣體積的密閉空間當(dāng)中做不同容量的電池?zé)崾Э氐臅r候我們發(fā)現(xiàn)一氧化碳含量會有明顯的新增，但是其他氣體含量并沒有特別大的變化，可能是在這個過程當(dāng)中，一氧化碳的生成具有一定的優(yōu)先權(quán)，可能會優(yōu)先生成一氧化碳，假如環(huán)境是開放的，可能一氧化碳會進一步轉(zhuǎn)化成二氧化碳。
最后一部分是有關(guān)熱失控預(yù)防與檢測，這塊我只是簡單提一下。我們想到的包括電解液泄露檢測，可以在早期做一些預(yù)測，另外就是電氣連接失效監(jiān)控，可以通過電流電壓的變化或者說溫度信息判斷電路連接上的一些失效，還有就是煙和火的監(jiān)控等等，創(chuàng)為的李總應(yīng)該會有比較好的方法。
另外就是內(nèi)短路監(jiān)測，我們了解內(nèi)短路發(fā)生其實是一個相對來說要一段時間的過程，最開始一般情況下，內(nèi)短路是小范圍發(fā)生，并不會出現(xiàn)安全性問題，僅僅是在性能上或者說電壓上有一些變化，假如我們能夠比較好的在早期發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)短路，關(guān)于我們預(yù)防和判斷電池?zé)崾Э匕l(fā)生是有比較大幫助的。
