熱失控及熱擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，將于2021年1月1日正式實施，意味著當(dāng)前在研階段及將要上市的電動車及其動力電池系統(tǒng)均需按照新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。
三項強標(biāo)中的共同之處在于對電動車用動力電池系統(tǒng)安全的關(guān)注及要求，鋰電池的安全問題主要是由于熱失控引發(fā)的起火、爆炸等，GB38031及GB18384兩項標(biāo)準(zhǔn)中提出的是熱擴(kuò)散試驗的方法及要求，而GB38032標(biāo)準(zhǔn)中是熱失控試驗方法及要求，但熱失控和熱擴(kuò)散是兩個概念，熱失控指的是電池單體放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫度不可控上升的現(xiàn)象；熱擴(kuò)散指的是電池包或系統(tǒng)內(nèi)由一個電池單體熱失控引發(fā)的其余電池單體接連發(fā)生熱失控的現(xiàn)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(fā)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(nèi)部發(fā)生短路，可以引發(fā)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(jié)果未出現(xiàn)熱失控的電池單體未必是合格的，可能并沒有造成內(nèi)部短路的發(fā)生，此時就不能作為熱失控試驗結(jié)果判定的依據(jù)了；在新發(fā)布的GB38032標(biāo)準(zhǔn)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(xù)充電12min，接著啟動加熱裝置，加熱至熱失控或者監(jiān)測溫度達(dá)到300℃，停止加熱，以這樣較為嚴(yán)苛的條件進(jìn)行考核，觀察電池單體是否發(fā)生熱失控。
在試前需要根據(jù)樣品對加熱裝置進(jìn)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(jù)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(guī)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(cè)的溫度傳感器布置作為監(jiān)測點外，一般也會監(jiān)控電池極耳、側(cè)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(dāng)電芯電壓迅速降低至0V時，電芯內(nèi)可能隔膜發(fā)生變形或收縮等，導(dǎo)致內(nèi)短路，而此時電池表面的溫度及溫度變化并沒有達(dá)到熱失控的條件，而加熱板對立面作為熱失控判定的監(jiān)測點，其溫度及溫度變化速率全程均未達(dá)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(guān)注正、負(fù)極電壓采集線間的絕緣情況，以避免溫升高正負(fù)極電壓采集線的橡膠材料融化或正負(fù)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(xiàn)。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(wěn)定也對試驗結(jié)果有一定的影響，應(yīng)注意溫度傳感器的選用。
熱擴(kuò)散試驗的測試對象為電池包或系統(tǒng)，觸發(fā)其中某一電池單體產(chǎn)生熱失控，進(jìn)而觀察擴(kuò)散至其他單元的時間，其目的是為了考核當(dāng)其中一只電池單體熱失控發(fā)生警報后，熱量擴(kuò)散至相鄰單元引發(fā)危險之前是否留有5min的乘客逃生的時間。GB38031標(biāo)準(zhǔn)中推薦的觸發(fā)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(fā)且未發(fā)生熱失控，不能直接作為判定通過的依據(jù)，需證明采用針刺和加熱兩種方式進(jìn)行觸發(fā)均不會發(fā)生熱失控。
熱擴(kuò)散試驗需要對電池包或系統(tǒng)進(jìn)行改裝，觸發(fā)對象的選擇較為關(guān)鍵，在選擇被其他電池單體圍繞的基礎(chǔ)上，可選擇靠近BMS的位置，可研究熱失控的發(fā)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(fā)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(huán)環(huán)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(fā)考核的是鋼針作為導(dǎo)體連接電池單體內(nèi)部的正極和負(fù)極造成短路而可能引發(fā)的熱失控，因此鋼針無法刺破電池包殼體的這種保護(hù)不作為此試驗的關(guān)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(fā)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(fā)臨近的一個單體。
除新國標(biāo)中的5min逃生時間的考核之外，熱擴(kuò)散試驗還可用來研究熱失控分別擴(kuò)散至電池包內(nèi)其他單元的時間，從而研究相對應(yīng)的應(yīng)對方案 。下圖3.2及圖3.3為某一電池包熱擴(kuò)散試驗結(jié)果，結(jié)合溫度變化曲線（圖3.2）、電池電壓變化曲線（圖3.3）以及現(xiàn)場視頻，可以清晰地看出不同位置電池發(fā)生異常的時間、發(fā)生熱失控的時間以及冒煙、起火的時間。而觸發(fā)對象位置的不同，熱擴(kuò)散的結(jié)果亦不同，應(yīng)盡量選擇最為嚴(yán)苛或代表性的位置進(jìn)行。
圖3.2 熱擴(kuò)散試驗電池包內(nèi)各個位置溫度變化曲線
圖3.3 熱擴(kuò)散試驗電池包內(nèi)各個電池電壓變化曲線
結(jié)語
綜上，熱擴(kuò)散試驗仍有很多注意要點值得我們?nèi)ミM(jìn)一步研究，本文主要介紹了熱失控和熱擴(kuò)散試驗方法，主要是參考國家標(biāo)準(zhǔn)以及試驗過程中可能產(chǎn)生的影響因素來進(jìn)行分析。
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