钜大LARGE | 点击量：3849次 | 2021年04月25日
动力锂电池热扩散测试标准与方法介绍
动力锂电池的火灾一般都是由一个或者几个电芯的热失控开始的，所以我们研究电芯的热失控很必要。
常见的热失控原因包括三大方面，滥用、电池老化，电池使用过程当中有很多的变化。第三点就是制造过程当中的缺陷，目前制造缺陷其实是很难防止的，虽然是PPM级的，但是当我们把电池单体集成成系统之后，这个比例其实也是比较高的。
第一个方面，有关滥用过程当中造成的内短路情况，再细分包括机械滥用、电滥用、热滥用，以己多种应力综合用途下的滥用情况，这些情况在现有标准法规当中已经做了相应要求，但是对电池老化过程当中一些结构损伤或者直径生长，以及制造缺陷造成的内短路，现在的法规没有要求，以现在的技术手段也比较困难提前预知这样的情况发生。所以这种情况下，我们提出了热失控以及热扩散的测试项目，这个情况SAEJ2464以及UL2580已经对热扩散有相应要求了。
目前，无论是单体电池还是电池系统，能量密度都逐步提高，根据我们测试的数据和统计结果发现，常规使用状态下，同样倍率充放电的时候，电池的能量密度越高，热稳定性相对来说会变差一些，也就是更容易发生热失控。基于这样的考虑，新的国标把热扩散项目引进来，通过现行国标以及即将要公布的国标项目比较我们发现，新国标当中其实是弱化了对单体电池的要求，同时删除了对模块的要求，但是在电池系统当中是新增了热扩散以及过热保护。其实热扩散是一个比较关键的项目，而且我个人觉得热扩散项目基本上可以认为是关于动力锂电池以及电池系统，乃至电动汽车整车的一个安全性综合测评项目，可以说是为了保护人员最后的一道防线。
第二部分简单介绍一下现行的相关热扩散的一些测试标准和法规，第一个方面是SAEJ2464，测试对象要求模块和电池包，测试目的很明确，要求单个电池发生热失控事件的时候，系统具备防止热失控事件传播到相邻电池的能力，也建议制造商先在电池模块进行测试，我们在国内很多公司也是这样的思路，先从模组层级进行测试。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
测试方法，相比现在我们制定当中的国标是略高一些的，要求电池是百分之百SOC，同时在55度或者电池最高工作温度状态下进行测试，同时要求五分钟内加热到400度或者说电池发生热失控。当然也可以公司供应自己的方法，只要把热失控的方法比较详细描述出来即可，标准当中推荐了五个测试位置，测试中要记录的数据包括温度、电压等以及照片视频，还有就是一些实验现象，包括起火爆炸以及有毒物质泄露。
这幅图展示的是2464当中推荐的五个我们可以选取的触发点，仅仅是一个示意而已，因为实际当中电池外形结构远比这个复杂，仅供我们参考。
第二个标准是UL2580，这个标准直接引用了2464的测试方法，进行测试的时候电池样品不能发生外部起火或者爆炸的。
EVS-GTR电动汽车安全全球技术法规，目前一阶段的工作成果，形成了一个文档，用来说明由于内短路，并且在附录当中供应了我国和日本共同研究的测试程序，作为参考。二阶段现在的工作正在研究当中，重要内容包括热失控测试方法的研究，我们要在二阶段获得高重复性的触发方法。研究测试设备的影响，以及在二阶段明确基本原则，什么样的测试条件或者说什么样的改动可以接受。再研究一些潜在的热失控触发方法，也是为了获得更好的实验重复性。
最后研究判断热失控是否通过的合理性，并且最终形成判定条件。
这是我们中方工作计划，重要内容包括四个部分，包括触发方法研究，以及判定条件研究，还有同一方面，实验结果可重复性，以及不同方法实验结果的等小型的研究，最后是热扩散项目判定条件研究。首先要研究不同的触发方法，明确不同触发方法的参数，获得高重复性的实验方法。以加热作为一个例子来介绍，其实影响我们实验结果有很多条件，其中加热功率和加热位置是对结果影响最大的两个关键因素，所以我们会把这两个参量拿出来设计实验，说到重复性，只是一个语言表述上的东西，没有量化含义，为了更好评估重复性，做了一个数量化含义，用加热时间和热失控温度，这两个热失控发生过程当中比较关键的参量的标准差系数作为评判实验方法可重复性依据。
当我们开展了大量实验之后，可以通过比较加热时间以及热失控温度的标准差系数，即重复性的好坏来获得重复性较好的实验条件，进一步我们可以通过其他的约束条件，比如说加热时间，以及系统当中引进能量多少，缩小目标范围，我们希望最终获得加热功率与电池能量以及电池重量之间的函数关系，或者说之间的函数关系范围。以便我们在后续实验当中给所有的机构参考，从而获得比较好的实验可重复性。
为了开展这个工作，我们做了一个测试计划，每款电池要做两百个以上的实验，工作量很大，这可能也是我们后期工作的难点。目前我们也是在进行理论上的一些分析，以及结合一些仿真工作，想办法降低实验量的工作。简单介绍一下已经开展的工作，这是一个18650的电池，选择了80W、100W、120W的加热功率，进行加热触发热失控。最关键的量是标准差系数，可以看到80W加热条件下，两个标准差系数都是比较低的，重复性相对来说更好，当然了这个实验条件很少，我们要更大量的实验获得最好的条件。把三个实验温度曲线放在一起，我们可以看到结果比较一致，80W加热的时候，可重复性直观上看还是比较好的。这是我们现在开展的工作，后续还有很多工作要做。
第三部分是我个人对国标当中热扩散的理解，这部分可能也是很多公司现在比较关注的点。因为热扩散毕竟是新项目，而且是半开放的项目，其中有很多不确定的东西，国标当中基本要求和前面的标准是一致的，电池系统由于单个热失控进而导致乘员舱发生危险前五分钟要发出热事件报警信号，对国标当中危险的理解是起火爆炸，暂时没有把烟雾进入乘员舱作为危险（电池系统作为测试对象），公司可以把它当做一个要求。因为这个项目是半开放项目，所以要公司和测试机构共同来完成，并且要公司供应比较多的说明材料，以及设计和技术文件。测试机构会依据公司相关设计以及论证方法开展相应的热扩散实验。这一页展示了公司要供应的一些文件，相对来说详细一点的要求，重要就是包括报警信号以及说明电池包和系统安全性的技术文件，这个技术文件其实涵盖的内容比较多，包括我们对风险的分析，以及应对风险的策略，包括结构上的设计、功能上的设计，以及这些功能的实现途径等等。
这是把我们在开展热扩散实验过程当中可能遇到的不同情况进行了汇总，应该有五种可能的情况，从最左上角的电芯开始，假如电池本身通过不同的触发方法并不能触发热失控的话，这个项目，这是我目前的理解，最终标准没有公布出来，对征求意见稿的理解，当电芯不能触发热失控的时候，可以认为是直接通过了，当然这也是要通过实验去验证的；假如电芯可以触发热失控，又分了几种情况，电芯检测到热失控，发出报警信号，只有一个电芯发生热失控，但是没有扩散，没有出现危害，没有发生起火和爆炸，这种情况是通过的。假如发出报警信号，电池发生了热扩散，但是同样没有发生危害，也是通过的，还有第二种和第三种情况，发生了热扩散，出现了危害，这个时候判断是否通过的条件就是发出报警信号和危害之间的时间间隔，T小于5分钟的时候是不通过的，T大于5分钟是通过的，就是刚刚标准当中说的提前五分钟给乘客发出报警信号，提醒乘客逃生。
这个过程当中还有几个关键概念，包括热失控，热失控检测以及报警信号，我们了解热失控的含义不可控的放热反应，我们实际测试当中，其实是很难实现的，因为就是一个简单描述，所以国标中我们给出了一个推荐判断热失控条件，为何说是推荐，刚才塔菲尔讲了不同的材料不同的体系不同的设计，可能电池性能差别很大。虽然电池发生热失控的时候温度是急剧新增的，假如我们定量分析的话，这之间的温度也会有比较大的差别，所以现阶段不太容易给出一个非常明确的含义。所以说这块标准当中给了一个开口，这个热失控含义可以由公司自己来含义。
这一页是对报警信号的理解，因为报警信号直接决定了时间间隔T，到底是不是通过，报警信号是非常关键的一个点，报警信号具体会发生在什么时候，一般公司设置包括四种情况。在图中假如说以虚线的红色框作为热失控发生实际的点，报警信号可能会在热失控发生过程当中，或者说热失控发生之后发出报警信号，这种情况是允许的，这种时候一定是确认了电池发生热失控了，但是假如报警信号发生在热失控实际发生之前，有两种情况，一种情况是报警信号发出了，没有发生热失控，这种情况下不允许，只有当电池发生热失控之后，才会认为实验是正常可接受的。
归纳起来讲，报警信号的发出时间没有明确要求，但是报警信号发出之后我们的触发条件要停止，但是一定要确保电池不要发生热失控。
第四点，几种触发电池内短路、热失控的方法。这一页PPT去年报告当中也有用到，简单介绍一下，重要包括理论上模拟内短路情况，我们制造电池内部的一些缺陷，不管是引入一些杂质，还是说制造隔膜缺陷，这是一种方法，但是这种方法要电池厂在生产阶段就做相应的设计和处理，所以说实践难度还是比较高的。
剩下的几种方法，包括针刺、加热、过充，很多过充是无效的，很难触发热失控，现在关注点是在针刺和加热。还有其他的方法，激光、自加热等等。
介绍一个自加热方面，是把一个热电阻连接在电池正负极，通过电池自己短路的热量来加热电池触发热失控。这个方法现在正在验证阶段，大家可以验证一下这个方法的可行性
第五点是热扩散测试的注意事项。分成试验前、试验中和试验后，大家想象一下，烟很大，火也很大，在做这个试验过程当中，试验前为了尽可能小的对电池进行改动，要一些线束可以通过电池标原有的高低压接口进行连接的，假如我们做加热实验，假如额外打孔或者从密封结构引线进去的话一定会破坏电池密封结构，因为做试验过程当中并不要用到电池的正负极，我们在做改造的时候，其实可以直接利用动力线束把加热线引进去的，这样的话没有破坏电池外壳密封的条件下做试验。很有可能准备过程当中就会破坏一些传感器，我们额外的做一些冗余就会更好的帮助我们获得数据。试验过程当中一般会出现大量的有毒和可燃的烟气，要考虑排风以及尾气处理，另外就是试验过程当中可能会起火和爆炸，要做好相应的防护和灭火处置工作。
试验后，因为试验后的样品可能没有完全发生热失控，也就是有一部分电池可能还有一些残余能量，我们首先要把能量释放尽再做后续处理。
有关有毒可燃气体研究，我们基于国家重点研究计划的课题在做，也是在和解放军陆军学院在做一些项目合作。前期重要研究了不同的电池发生热失控的一些气体种类和含量，的确会出现一些有毒物质，当我们在同样体积的密闭空间当中做不同容量的电池热失控的时候我们发现一氧化碳含量会有明显的新增，但是其他气体含量并没有特别大的变化，可能是在这个过程当中，一氧化碳的生成具有一定的优先权，可能会优先生成一氧化碳，假如环境是开放的，可能一氧化碳会进一步转化成二氧化碳。
最后一部分是有关热失控预防与检测，这块我只是简单提一下。我们想到的包括电解液泄露检测，可以在早期做一些预测，另外就是电气连接失效监控，可以通过电流电压的变化或者说温度信息判断电路连接上的一些失效，还有就是烟和火的监控等等，创为的李总应该会有比较好的方法。
另外就是内短路监测，我们了解内短路发生其实是一个相对来说要一段时间的过程，最开始一般情况下，内短路是小范围发生，并不会出现安全性问题，仅仅是在性能上或者说电压上有一些变化，假如我们能够比较好的在早期发现电池内短路，关于我们预防和判断电池热失控发生是有比较大帮助的。
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