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电动汽车锂离子动力电池热失控测试与标准分析

2024-09-19 393 上传者：管理员

摘要：锂离子动力电池的安全性是电池在电动汽车上大规模应用发展的一大挑战。锂离子电池热失控会导致冒烟、起火或爆炸，电池安全测试是帮助减少热失控威胁的关键。文章分析了国内外锂离子动力电池安全方面的测试标准，对过充电、强制放电、外部短路、加热与温度冲击、挤压等测试进行比较，分析了GB 38031-2020、UL 2580-2020、UN/ECE R100.02-2013中的试验条件和参数的要求。指出相关标准存在的不足，希望能够为电池安全标准不断更新和优化作出贡献，建立更加科学的测试与评价方法。

关键词：
安全测试
热失控
电动汽车
锂离子电池
高能量
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锂离子电池具有高功率和高能量密度以及更长的使用寿命，使得锂离子动力电池在电动汽车市场占支配地位。近年来，电动汽车锂离子动力电池失效引起的火灾、爆炸等事故时有发生，引起公众对锂电池安全的严重担忧。虽然电池制造商在多个层面上采取了电池安全对策（如安全阀、阻燃剂、内部关闭温度装置），但风险依然存在。为了解和识别电池在非正常状况时的潜在弱点和脆弱性，电动汽车动力锂离子电池必须通过一系列安全测试。

1、国内外标准概述

当锂离子电池运行时，充电或放电速率越高，电池产生的热量就越多，电池温度升高会引发其他不希望的寄生反应，使电池发热无法控制，导致热失控。热失控是最有害的锂电池安全问题，由电池中的热可燃气体与环境中的氧气的反应，导致电池破裂、起火或爆炸[1]。为了将电池保持在安全的温度范围内，开发了电动汽车电池热管理系统，以更好地控制锂离子动力电池系统的温度。

为了减少电动汽车锂离子动力电池事故，并确保市场上可用的锂离子动力电池具有足够的安全性，各个国家和地区已经制定了安全标准，以满足动力电池的强制性安全要求。我国的电动汽车安全标准应该是《电动汽车安全要求》（GB18384-2020），该标准中5.3动力蓄电池要求：电动汽车动力蓄电池安全应符合GB 38031的要求。《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（GB 38031-2020）规定了我国电动汽车用动力蓄电池单体、电池包或系统的安全要求和试验方法[2]。《电动汽车用电池》（UL 2580-2020）用于评估在美国、加拿大销售的电动汽车动力锂离子电池的安全性[3]。《关于就电力传动系统特殊要求方面进行车辆认证的统一规定》（UN/ECE R100.02-2013）第二部分用于评估在欧盟境内销售的电动汽车锂离子动力电池的安全性[4]。通过安全标准认证的锂离子动力电池产品，其发生热失控的风险将会比较低。

2、电动汽车锂离子动力电池安全测试

热失控是锂离子电池中最具破坏性的失效模式之一，本文主要讨论容易引起热失控的过充电、强制放电、外部短路、加热与温度冲击、挤压等测试项目，以评估锂离子动力电池的安全测试方法。每个测试设置了通过/失败要求，将“不着火”“不爆炸”“不破裂”和“不泄漏”作为试验的接受准则。

2.1过充电测试

过充电测试旨在再现由电气故障引起的电池安全事故。过充电是有害的，因为连续充电的能量会转移到锂离子电池上，加速放热反应，它也是锂离子安全事故最常见的原因[5]。

在电池系统中，过充电通常是电动汽车电池管理系统无法监测电池的电压并在极限之前停止充电。当电池管理系统不能有效评估电池单体的电池荷电状态（State Of Charge,SOC）时，如果电池被进一步充电，可能导致过充电。

锂离子动力电池的过充电失效机制可分为四个阶段[6]。在第一阶段，电池电压稳步上升并超过其标称截止电压，标志着过充电过程的开始。在第二阶段，当电池被过充电超过100%SOC、电压为1.2 V时，电池内部开始发生副反应。在第三阶段，电池温度上升得更快，电池开始膨胀。在第四阶段，电池外壳破裂，损坏了分离器并导致锂离子电池热失控。充电速率通常是影响过充电的最重要因素，因为过充电电流密度决定了电池反产生热量的速率：电流越高，单位时间产生的热量就越多，从而增加了锂离子电池不可控的风险。

表1过充电测试方法和条件

如表1所示，通常过充电测试包括向完全充电的电池施加设定的充电电流，以达到定义的SOC水平或设定的电压极限。不同标准的测试参数差异较大，导致测试结果可比性较差。

2.2强制放电测试

强制放电是过充电的反过程，该测试包括将电池放电到低于推荐电压下限的非常深的电压电平。在电池串联的电池系统中，当存在电池间电压不一致时，可能会发生强制放电。如果电动汽车电池管理系统未能评估任何单个电池的最低电压，则具有最低电压的电池可能提前达到过放电状态，这可能导致安全问题。

强制放电与过充电的反应机理不同。强制放电过程中阳极的连续脱锂改变了石墨材料的结构，并导致固体电解质界面分解，产生CO2和CO等气体[7]。在强制放电过程中，阳极经历异常电位增加，导致铜集电器氧化和溶解，产生Cu2+，释放的铜离子可能沉积在阴极表面，过多的铜沉积会导致电池短路。

强制放电测试是将电池在标准规定的设定电流速率（例如1/3C，或制造商规定）下强制放电至规定条件。如表2所示，不同标准的测试参数差异较大，可能导致测试的结果可能取决于所遵循的标准或规定。由于标准中规定的电池的放电电流依赖于制造商的规定，这也导致测试结果可比性较差。

表2强制放电测试方法和条件

2.3外部短路测试

外部短路测试旨在评估发生短路时锂离子电池的的安全性能，它还可以评估过电流保护装置的性能或电池对突然高电流率的响应。

当同一电池的阴极和阳极通过外部导体连接时，会出现外部短路。当这种情况发生时，Li+从阳极迅速迁移到阴极，这会迅速耗尽锂电池。外部短路的速率取决于短路电阻，如果较小（几毫欧姆），外部短路会触发电压的深度下降以及电流和温度的突然上升[8]。这会在很短的时间内产生大量的电池热量，并且电池温度急剧升高，这会对锂电池的安全性造成危害。外部短路引起的热失控的速率取决于短路电流，短路电阻越低，电极之间的Li+转移越多，电流和温度越高。外部短路可以很容易地发生在电池系统中。例如：车辆碰撞、振动导致的电线连接断裂或保险丝尺寸过小都可能触发外部短路[9]。

如表3所示，外部短路测试包括将电池的正极和负极端子与电阻负载连接一段特定的时间或直至完全放电，或者直到电池的温度稳定。外部电阻值随标准而变化：5 mΩ、20 mΩ。

表3外部短路测试方法和条件

2.4挤压测试

挤压（或碰撞）测试有助于电池制造商了解在涉及碰撞的电池安全事故中发生的锂电池系统的机械故障。在锂电池组的日常使用过程中，堆叠的电池不可避免地受到外部负载力的影响。如果施加的力增加，例如在碰撞的情况下，电池的外壳将破裂，这将导致分离器破裂，甚至引发内部短路[10]。

车辆上的电池组布置会影响挤压（碰撞）响应。QIAO等研究了由12个袋状电池组成的电池模块在正面碰撞试验中的安全性，发现在50 km/h的碰撞条件下，前壳体发生明显的变形。由于外力的分布位于前侧，因此系统的后侧完好无损[11]。由于一些因素的随机性，如挤压（碰撞）过程中施加的力、电池组设计（形状、尺寸、保护套材料）、电池外壳（棱柱形、圆柱形、小袋）等，碰撞试验与真实碰撞事故的比较可能会受到质疑[12]。因此，有必要进行更深入和详细的调查，以提出挤压（碰撞）测试的标准程序。

由于碰撞事故期间施加的力具有很强的随机性，标准中描述的挤压（或碰撞）测试（如表4所示）与锂离子电池在车辆碰撞期间的实际体验之间可能无法进行比较。碰撞试验涉及被移动板压碎的静态电池，这一事实与实际事故不同，在实际事故中，锂离子电池正朝着碰撞区域移动，这可能会产生一些差异。因此，应对标准中包含的碰撞试验进行适当的修改。

表4挤压测试方法和条件

2.5加热与温度冲击测试

加热试验用于评估锂离子电池在高温下的热稳定性，以确保它们具有足够有效的热管理和预测潜在危害的能力。通过将电池单体放置在温度箱内，温度箱按照5℃/min升温速率升至（130±2）℃，然后保持此温度保持30 min[2-3]。在高温下，在锂电池内部可能发生电池组分的分解和放热副反应[5]。通常，固体电解质界面分解、阳极处的活性锂反应、隔膜的熔化以及阴极和电解质分解是最相关的机制[6]。随着温度的升高，当电池暴露在高温下时，可能会发生着火和、体排放，甚至发生爆炸。

温度冲击测试评估电池暴露在极端和突然的温度变化中时，电池的完整性和内部电气连接。该测试涉及快速和极端的温度变化。通常选择对应于极低温环境和极端高温环境（见表5）。被测电池的温度在每个温度极限下保持有限的时间，并且在执行特定数量的温度循环后停止测试。在这些循环过程中，被测电池将经历电池组件的膨胀和收缩，如果暴露在这些极端温度限制下导致电池外壳的任何物理变形，则应停止测试。

温度冲击测试中，电极的热释放速率往往高于其冷却速率，部分热量仍存储在电池内部。如果这种热量继续积累，就会开始发生放热副反应，进一步集中热应力，从而导致起火、爆炸。

表5加热与温度冲击测试方法和条件

3、结论

本综述概述了国内外电动汽车锂离子动力电池安全测试，包括过充电、强制放电、外部短路、加热与温度冲击、挤压等测试项目。国内外电池标准中明确描述了锂离子电池的测试方法和协议，这些标准有助于提高商用锂离子动力电池的安全性能，并降低了热失控的风险。标准中电池过充电、强制放电的电流及终止条件差别较大，有的依赖于制造商的规定；在短路测试中，GB38031-2020与UN/ECE R100.02-2013要求的短路电阻一致，但与UL 2580-2020的短路电阻相差很大，短路时间也不相同；挤压测试中各个标准的挤压速度、挤压程度均不相同；加热测试GB 38031-2020与UL 2580-2020的要求一致，但UN/ECE R100.02-2013未规定该项测试；温度冲击测试GB 38031-2020与UN/ECE R100.02-2013要求一致，最高温度及持续时间与UL 2580-2020不同。测试的结果可能取决于所遵循的标准或规定，导致不同标准的测试结果可比性较差。

挤压（或碰撞）测试中锂离子电池状态为静止状态，与实际事故中不同，碰撞事故中锂离子电池正朝着碰撞区域移动，应对标准中包含的碰撞试验进行适当的修改。随着电动汽车的数量不断增加，涉及锂电池的事故经常发生。因此，电池安全标准不断更新和优化，以确保锂电池的当前安全性。

参考文献:

[2]胡凯.新旧版电动汽车用动力蓄电池安全要求标准剖析[J].环境技术,2023,41(2):170-175.

文章来源:吴广顺,李真铁,王昊.电动汽车锂离子动力电池热失控测试与标准分析[J].汽车实用技术,2024,49(17):168-172.