热失控及热扩散试验方法解析
2020-07-15
引言
5月12日，GB38031《电动汽车用动力蓄电池安全要求》、GB38032《电动客车安全要求》及GB18384《电动汽车安全要求》三项电动汽车强制性标准发布，将于2021年1月1日正式实施，意味着当前在研阶段及将要上市的电动车及其动力电池系统均需按照新标准进行测试。
三项强标中的共同之处在于对电动车用动力电池系统安全的关注及要求，锂电池的安全问题主要是由于热失控引发的起火、爆炸等，GB38031及GB18384两项标准中提出的是热扩散试验的方法及要求，而GB38032标准中是热失控试验方法及要求，但热失控和热扩散是两个概念，热失控指的是电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象；热扩散指的是电池包或系统内由一个电池单体热失控引发的其余电池单体接连发生热失控的现象。换言之，二者针对的测试对象不同。
热失控试验解析
热失控试验的测试对象为电池单体，其目的是为了考核电池单体在极限滥用等情况下是否会发生起火、爆炸。对于电池单体来讲，热失控的主要原因是电池内部发生短路，可以引发热失控的方法有针刺、加热、过充等，但针刺目前存在众多争议，针刺试验结果未出现热失控的电池单体未必是合格的，可能并没有造成内部短路的发生，此时就不能作为热失控试验结果判定的依据了；在新发布的GB38032标准中，热失控的试验方法是采用过充+加热的方式，即采用满充电的电池单体，以1C继续充电12min，接着启动加热装置，加热至热失控或者监测温度达到300℃，停止加热，以这样较为严苛的条件进行考核，观察电池单体是否发生热失控。
在试前需要根据样品对加热装置进行选择，加热装置包含加热板、薄膜加热片、加热棒、加热丝等，根据样品的能量选择加热装置的最大加热功率，且加热装置的尺寸规格不能大于被加热面，同时在测试过程中为对更好地分析温升情况，除加热板对侧的温度传感器布置作为监测点外，一般也会监控电池极耳、侧面中心等位置的温升情况。以某一电芯热失控为例，如下图2.1中电芯热失控试验过程中电池电压及各个位置的温度变化，当电芯电压迅速降低至0V时，电芯内可能隔膜发生变形或收缩等，导致内短路，而此时电池表面的温度及温度变化并没有达到热失控的条件，而加热板对立面作为热失控判定的监测点，其温度及温度变化速率全程均未达到热失控条件，电池未起火、爆炸。
图2.1 电芯热失控试验
该热失控试验搭建需关注正、负极电压采集线间的绝缘情况，以避免温升高正负极电压采集线的橡胶材料融化或正负极采样线未隔离开等原因，引起电压降或者短路而造成试验失败的情况出现。而温度变化速率作为热失控判定的必要条件之一，温度传感器的精度及稳定也对试验结果有一定的影响，应注意温度传感器的选用。
热扩散试验的测试对象为电池包或系统，触发其中某一电池单体产生热失控，进而观察扩散至其他单元的时间，其目的是为了考核当其中一只电池单体热失控发生警报后，热量扩散至相邻单元引发危险之前是否留有5min的乘客逃生的时间。GB38031标准中推荐的触发热失控的方法为针刺和加热两种，如采用其中一种方式触发且未发生热失控，不能直接作为判定通过的依据，需证明采用针刺和加热两种方式进行触发均不会发生热失控。
热扩散试验需要对电池包或系统进行改装，触发对象的选择较为关键，在选择被其他电池单体围绕的基础上，可选择靠近BMS的位置，可研究热失控的发生对BMS的影响，造成通讯失效的时间；亦可选择在实际充放电过程中温升最高，最容易发生热失控的位置等；温度采集、电压采集、以及必要的气压采集线束布置，模组改装，壳体密封等环环相扣，保证有效改装，避免改装因素影响热失控的判断。
针刺触发考核的是钢针作为导体连接电池单体内部的正极和负极造成短路而可能引发的热失控，因此钢针无法刺破电池包壳体的这种保护不作为此试验的关注点，反而是需提前在针刺位置开孔，如下图3.1，以便于直接针刺单体。
图3.1 电池包针刺点
加热触发则需考虑加热装置的选择，可参考上述电池单体热失控方法介绍，同时也可选择一种块状加热装置来替换其中一个电池单体，直接接触加热触发临近的一个单体。
除新国标中的5min逃生时间的考核之外，热扩散试验还可用来研究热失控分别扩散至电池包内其他单元的时间，从而研究相对应的应对方案 。下图3.2及图3.3为某一电池包热扩散试验结果，结合温度变化曲线（图3.2）、电池电压变化曲线（图3.3）以及现场视频，可以清晰地看出不同位置电池发生异常的时间、发生热失控的时间以及冒烟、起火的时间。而触发对象位置的不同，热扩散的结果亦不同，应尽量选择最为严苛或代表性的位置进行。
图3.2 热扩散试验电池包内各个位置温度变化曲线
图3.3 热扩散试验电池包内各个电池电压变化曲线
结语
综上，热扩散试验仍有很多注意要点值得我们去进一步研究，本文主要介绍了热失控和热扩散试验方法，主要是参考国家标准以及试验过程中可能产生的影响因素来进行分析。
