鉅大LARGE | 點擊量：3933次 | 2021年04月25日
動力鋰電池熱擴散測試標準與方法介紹
動力鋰電池的火災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，電池使用過程當中有很多的變化。第三點就是制造過程當中的缺陷，目前制造缺陷其實是很難防止的，雖然是PPM級的，但是當我們把電池單體集成成系統之后，這個比例其實也是比較高的。
第一個方面，有關濫用過程當中造成的內短路情況，再細分包括機械濫用、電濫用、熱濫用，以己多種應力綜合用途下的濫用情況，這些情況在現有標準法規當中已經做了相應要求，但是對電池老化過程當中一些結構損傷或者直徑生長，以及制造缺陷造成的內短路，現在的法規沒有要求，以現在的技術手段也比較困難提前預知這樣的情況發生。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已經對熱擴散有相應要求了。
目前，無論是單體電池還是電池系統，能量密度都逐步提高，根據我們測試的數據和統計結果發現，常規使用狀態下，同樣倍率充放電的時候，電池的能量密度越高，熱穩定性相對來說會變差一些，也就是更容易發生熱失控。基于這樣的考慮，新的國標把熱擴散項目引進來，通過現行國標以及即將要公布的國標項目比較我們發現，新國標當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，但是在電池系統當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鍵的項目，而且我個人覺得熱擴散項目基本上可以認為是關于動力鋰電池以及電池系統，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行的相關熱擴散的一些測試標準和法規，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，要求單個電池發生熱失控事件的時候，系統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防爆標準
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，相比現在我們制定當中的國標是略高一些的，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下進行測試，同時要求五分鐘內加熱到400度或者說電池發生熱失控。當然也可以公司供應自己的方法，只要把熱失控的方法比較詳細描述出來即可，標準當中推薦了五個測試位置，測試中要記錄的數據包括溫度、電壓等以及照片視頻，還有就是一些實驗現象，包括起火爆炸以及有毒物質泄露。
這幅圖展示的是2464當中推薦的五個我們可以選取的觸發點，僅僅是一個示意而已，因為實際當中電池外形結構遠比這個復雜，僅供我們參考。
第二個標準是UL2580，這個標準直接引用了2464的測試方法，進行測試的時候電池樣品不能發生外部起火或者爆炸的。
EVS-GTR電動汽車安全全球技術法規，目前一階段的工作成果，形成了一個文檔，用來說明由于內短路，并且在附錄當中供應了我國和日本共同研究的測試程序，作為參考。二階段現在的工作正在研究當中，重要內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性的觸發方法。研究測試設備的影響，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方法，也是為了獲得更好的實驗重復性。
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，重要內容包括四個部分，包括觸發方法研究，以及判定條件研究，還有同一方面，實驗結果可重復性，以及不同方法實驗結果的等小型的研究，最后是熱擴散項目判定條件研究。首先要研究不同的觸發方法，明確不同觸發方法的參數，獲得高重復性的實驗方法。以加熱作為一個例子來介紹，其實影響我們實驗結果有很多條件，其中加熱功率和加熱位置是對結果影響最大的兩個關鍵因素，所以我們會把這兩個參量拿出來設計實驗，說到重復性，只是一個語言表述上的東西，沒有量化含義，為了更好評估重復性，做了一個數量化含義，用加熱時間和熱失控溫度，這兩個熱失控發生過程當中比較關鍵的參量的標準差系數作為評判實驗方法可重復性依據。
當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準差系數，即重復性的好壞來獲得重復性較好的實驗條件，進一步我們可以通過其他的約束條件，比如說加熱時間，以及系統當中引進能量多少，縮小目標范圍，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關系，或者說之間的函數關系范圍。以便我們在后續實驗當中給所有的機構參考，從而獲得比較好的實驗可重復性。
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，進行加熱觸發熱失控。最關鍵的量是標準差系數，可以看到80W加熱條件下，兩個標準差系數都是比較低的，重復性相對來說更好，當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，我們可以看到結果比較一致，80W加熱的時候，可重復性直觀上看還是比較好的。這是我們現在開展的工作，后續還有很多工作要做。
第三部分是我個人對國標當中熱擴散的理解，這部分可能也是很多公司現在比較關注的點。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，國標當中基本要求和前面的標準是一致的，電池系統由于單個熱失控進而導致乘員艙發生危險前五分鐘要發出熱事件報警信號，對國標當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（電池系統作為測試對象），公司可以把它當做一個要求。因為這個項目是半開放項目，所以要公司和測試機構共同來完成，并且要公司供應比較多的說明材料，以及設計和技術文件。測試機構會依據公司相關設計以及論證方法開展相應的熱擴散實驗。這一頁展示了公司要供應的一些文件，相對來說詳細一點的要求，重要就是包括報警信號以及說明電池包和系統安全性的技術文件，這個技術文件其實涵蓋的內容比較多，包括我們對風險的分析，以及應對風險的策略，包括結構上的設計、功能上的設計，以及這些功能的實現途徑等等。
這是把我們在開展熱擴散實驗過程當中可能遇到的不同情況進行了匯總，應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方法并不能觸發熱失控的話，這個項目，這是我目前的理解，最終標準沒有公布出來，對征求意見稿的理解，當電芯不能觸發熱失控的時候，可以認為是直接通過了，當然這也是要通過實驗去驗證的；假如電芯可以觸發熱失控，又分了幾種情況，電芯檢測到熱失控，發出報警信號，只有一個電芯發生熱失控，但是沒有擴散，沒有出現危害，沒有發生起火和爆炸，這種情況是通過的。假如發出報警信號，電池發生了熱擴散，但是同樣沒有發生危害，也是通過的，還有第二種和第三種情況，發生了熱擴散，出現了危害，這個時候判斷是否通過的條件就是發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，就是剛剛標準當中說的提前五分鐘給乘客發出報警信號，提醒乘客逃生。
這個過程當中還有幾個關鍵概念，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，我們實際測試當中，其實是很難實現的，因為就是一個簡單描述，所以國標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計，可能電池性能差別很大。雖然電池發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，所以現階段不太容易給出一個非常明確的含義。所以說這塊標準當中給了一個開口，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，報警信號是非常關鍵的一個點，報警信號具體會發生在什么時候，一般公司設置包括四種情況。在圖中假如說以虛線的紅色框作為熱失控發生實際的點，報警信號可能會在熱失控發生過程當中，或者說熱失控發生之后發出報警信號，這種情況是允許的，這種時候一定是確認了電池發生熱失控了，但是假如報警信號發生在熱失控實際發生之前，有兩種情況，一種情況是報警信號發出了，沒有發生熱失控，這種情況下不允許，只有當電池發生熱失控之后，才會認為實驗是正常可接受的。
歸納起來講，報警信號的發出時間沒有明確要求，但是報警信號發出之后我們的觸發條件要停止，但是一定要確保電池不要發生熱失控。
第四點，幾種觸發電池內短路、熱失控的方法。這一頁PPT去年報告當中也有用到，簡單介紹一下，重要包括理論上模擬內短路情況，我們制造電池內部的一些缺陷，不管是引入一些雜質，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階段就做相應的設計和處理，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，很難觸發熱失控，現在關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極，通過電池自己短路的熱量來加熱電池觸發熱失控。這個方法現在正在驗證階段，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構引線進去的話一定會破壞電池密封結構，因為做試驗過程當中并不要用到電池的正負極，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。很有可能準備過程當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據。試驗過程當中一般會出現大量的有毒和可燃的煙氣，要考慮排風以及尾氣處理，另外就是試驗過程當中可能會起火和爆炸，要做好相應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處理。
有關有毒可燃氣體研究，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院在做一些項目合作。前期重要研究了不同的電池發生熱失控的一些氣體種類和含量，的確會出現一些有毒物質，當我們在同樣體積的密閉空間當中做不同容量的電池熱失控的時候我們發現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中，一氧化碳的生成具有一定的優先權，可能會優先生成一氧化碳，假如環境是開放的，可能一氧化碳會進一步轉化成二氧化碳。
最后一部分是有關熱失控預防與檢測，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測，另外就是電氣連接失效監控，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控等等，創為的李總應該會有比較好的方法。
另外就是內短路監測，我們了解內短路發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，內短路是小范圍發生，并不會出現安全性問題，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現電池內短路，關于我們預防和判斷電池熱失控發生是有比較大幫助的。
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