汽车|电动汽车用动力电池热扩散测试项目解析 |电池|新能源|

作者 | 刘磊，林春景，樊彬，王芳，杨培霞/哈尔滨工业大学；中国汽车技术研究中心有限公司
来源 | 《电源技术》杂志
导读：本文对电动汽车动力电池热扩散测试的项目来源、国内外标准法规要求、研究进展进行了分析介绍，并提出了基于热扩散项目未来的研究方向。
随着新能源汽车的广泛应用，新能源汽车事故频发。尤其2019年以来，多起主流新能源汽车产品发生了起火事故，虽然引起事故的原因不完全相同，但基本都是由于动力电池系统起火引起。而在起火事故发生前，没有任何的信号或征兆，这就导致事故存在极大的不可预测性，并进一步提高了人员和财产损失的风险。众所周知，为了使得应用于电动汽车的动力电池具备较高的安全性，国内外均有专门的标准法规对锂离子电池及系统的安全性做出要求，分别从机械损伤、电气损伤、环境损伤等多个方面提出了测试方法，但是由于锂离子电池的高能量、高活性的特性，导致锂离子电池在应用中会存在结构和性能的变化并可能最终引起电池突然的热失控发生。电动汽车用动力电池热扩散测试项目的主要目的就是验证电动汽车整车或者电池系统应对动力电池单体发生热失控时能否有效保护驾乘人员安全逃生的能力，也正是随着产品的推广应用及行业对产品的认识不断加深，才推动了产品标准法规的不断完善。
锂离子电池的热失控原因有很多，归纳起来包括：滥用造成电池内短路，包括机械滥用、电滥用、热滥用及多种应力综合作用[1－4] 。这些情况已经在现有的标准法规中进行了相关的安全性要求。除了滥用外，电池老化过程中造成的结构损伤或者枝晶生长等，以及制造过程中的缺陷也会造成电池内短路，进而导致热失控，这部分情况目前国内还没有标准法规进行要求[5－6] 。
正因为内短路可能导致电池热失控和热扩散，可能对成员造成伤害，而目前对于部分内短路的产生情况，并不能完全避免或者有效预防及预测，所以需要通过对电池系统整体应对单体热失控的安全防护能力提出要求，确保驾乘人员的安全。另一个方面，无论是单体电池，还是电池系统，比能量越来越高，而大量的测试数据显示，随着电池比能量的提高，在相同倍率下放电时，单位质量的电池产热量大幅提高，同时使用加热方法触发单体电池发生热失控所需要的能量与电池自身能量的比值也更低[7] 。
标准法规介绍
目前涉及到动力电池热扩散的标准法规主要包括SAE J 2464、UL 2580以及即将发布的GBXXX《电动汽车用动力蓄电池安全要求》和正在研究中的GTR No.20 。其中SAE J 2464、UL 2580以及即将发布的GBXXX《电动汽车用动力蓄电池安全要求》均已经有正式的测试要求公开发布，所以本文主要介绍在这3项标准中关于热扩散的要求。
项目名称为被动扩散阻力测试（Passive Propagation Resistance Test）；测试对象为模块/电池包；测试目的是该测试评估被测设备（DUT）承受单个电池热失控事件的能力，以便热失控事件不会传播到相邻电池。建议DUT制造商首先在模块级执行这些测试。
测试方法如下：样品处于100%荷电状态（SOC），在55 ℃或者样品最高允许工作温度条件下进行测试。要求5 min内将样品加热至400 ℃或样品发生热失控，可以选择其他方法触发热失控（触发方法需要以报告形式详细描述）。标准推荐进行至少5个位置的测试以便能够获得试验的普遍性。
数据记录如下：温度、电压、试验前后绝缘电阻、照片、视频、起火、爆炸、物质泄漏的描述等。
【汽车|电动汽车用动力电池热扩散测试项目解析】1.2 UL 2580
项目名称为内部火烧测试（Internal fire exposure test）；测试目的为储能系统应具备阻止由于一个单体电池失效而引起的起火或者爆炸事故；测试条件为满电状态的储能系统进行SAEJ 2464中的被动扩散阻力测试（Passive Propagation Resistance Test）测试。在一定的条件下可以使用一个或多个模组进行测试。分页标题
1.3 GBXXXX 热扩散测试
项目名称为热扩散；项目要求如下：电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散，进而导致乘员舱发生危险之前5 min ，应提供一个热事件报警信号（服务于整车热事件报警，提醒乘员疏散）；如果热扩散不会产生导致车辆乘员危险的情况，则认为该要求得到满足。进一步明确了对于人员保护的要求，明确了热扩散测试项目的目的和应用场景。
由于该项目仅在标准中给出了参考的试验方法和部分关键参数的建议取值，给制造商较大的空间针对各自产品的特点进行产品开发设计、试验验证。同时为了能够确保产品质量，制造商应按照标准要求提供“制造商定义的热事件报警信号说明”“说明电池包或系统安全性技术文件” ，同时在第三方检测机构依据制造商提供的技术文书、试验程序进行结果验证的检测报告，如表1所示。

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对于热扩散试验项目而言，尽管企业具有一定的空间设置试验程序，但是试验项目的基本流程是不能改变的。热扩散试验的流程如图1所示。

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图1 热扩散试验流程
对于一款电池包，选择其中的某个电池单体作为热失控触发对象，触发电池单体发生热失控，一般情况下电池管理系统会在电池热失控发生的情况下发出报警信号。当一只电池单体发生热失控之后，由于电池的设计、电池材料体系特点等影响，电池可能会发生热扩散（即其他电池发生热失控），也可能未发生热扩散。但是不论是哪一种情况，仍然会产生两种不同的结果，电池包最终表现出了对人员的危险（如起火、爆炸）或者电池包未表现出对人员的危险。在这个测试中的关键参量就是从报警信号发出到发生危险的时间间隔，也就是人员的有效逃生时间。
热扩散测试中的关键点
虽然目前已经有多个标准提出了热扩散试验项目的方法和要求，但是也正是由于电池系统设计的复杂性和多样性，导致热扩散试验中存在较多的变量和不确定性，所以在GBXXX《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中才提出技术文件与试验验证相结合的方案，既给企业提供了足够的空间避免干预企业的产品设计和技术的发展，同时又坚守住动力电池系统安全性的底线。在动力电池系统热扩散测试过程中，有若干个值得注意的关键问题，如图2所示。

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图2 热扩散测试中的关键问题
2.1 豁免条件
虽然目前广泛应用于电动汽车的锂离子电池大多存在发生热失控的风险，但是随着技术的进步及产业对安全性的关注，相信一定存在或者未来会出现一些特别安全的电池，此类电池不发生热失控。那么针对这类电池，该设置何种条件进行豁免呢？一种思路是通过对产品的构成或者特征参数来进行限定，但是这种方法并不能解决所有问题，尤其对未来新技术产品，具有较大的局限性；另一种思路是通过一定的测试项目来判断电池是否具备豁免条件，该方法具有一定的普适性，且不存在技术局限性。因此企业在实际开展研发试验工作时，应该根据实际情况选择合适的方法，并对产品安全性做出合理评估。
2.2 触发方法的选择
触发方法首先应该基于电池热失控的原理，在失效原理上应该最大限度地保持一致；其实该方法还应该具备高重复性和可操作性；再次，该方法在参数的选择上具有较大的容错能力，在较大的范围内均不会影响试验结果。
2.3 触发位置的选择
从试验验证的目的触发，触发位置应该选择在最严苛的试验条件下，以确保样品在最严苛的情况下的安全性表现。但是在实际的测试工作中，可操作性决定了实际可选择的范围是有限的，这往往导致不能穷尽所有的方案进行测试验证。触发位置的选择难点在于如何平衡严苛的测试条件和试验可操作性这两个问题。对企业进行产品性能验证而言，可以通过高精度的仿真模型的搭建，结合有限的试验数据，实现对动力电池系统各种试验条件下安全性能的评估。分页标题
2.4 逃生时间
现有的标准中给出的逃生时间是基于部分大巴车的试验研究，而针对不同的车型应用场景，针对不同的事故场景：（1）考虑不发生事故的逃生时间时，驾乘人员意识清醒且可自由活动，所需时间就会比较短；（2考虑发生交通事故的情况时，还需要考虑救援人员施救所需的时间，事故形态的多样性就会导致救援时间的巨大差异。因此企业应充分考虑产品定位并结合应用场景进行设计与验证。
2.5 危险的定义
外部起火和爆炸一定会给人员带来危险，但是除此之外的有毒烟气、可燃烟气等是否应该考虑，如何进行测试，设置何种条件和限值，是否会产生漏电及人员遭受电击的情况等也应该是产品生产企业关注的重点。
2.6 其他
研究方向
热扩散测试是对电池系统安全设计有效性的试验验证，在产品设计和开发中，动力电池系统热扩散问题研究方向如图3所示。

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图3 动力电池系统热扩散问题研究方向
（1）锂离子电池系统热扩散机理及规律研究
结合现有动力电池热失控及热扩散研究中的电、热领域已经取得的研究成果，重点突破结构变化、化学成分变化等机械、化学反应方面的测试难题，获取有效快速的测试方法，通过试验数据采集和仿真分析，提取出影响动力电池热扩散发展过程的关键参数和关键过程，并重点研究动力电池系统在热扩散发生、发展过程中关键参量的变化规律，建立基于电、热、机械、化学多物理场耦合的单体热失控及系统热扩散模型，揭示动力电池系统热扩散发生、发展的规律。
（2）锂离子电池系统热扩散防范应对机制及应用技术研究
基于单体热失控及系统热扩散模型，从热失控触发诱因、热失控发生过程的关键节点出发，通过电压、电流、温度、压力和气体成分等多种信号的采集和综合分析，建立动力电池系统热失控早期预警控制策略，并对相应的控制策略进行试验验证；研究热扩散发展过程中的关键节点及核心影响因素，通过试验和仿真手段，对锂离子电池热扩散延缓、阻断机制和方法进行研究，有针对性地制定锂离子电池系统热扩散逐级主被动防范应对机制，并通过试验验证隔离措施的有效性，在电池系统的结构、传热和电连接设计等方面提供指导。
（3）锂离子电池系统热扩散危害及防护措施研究
明确动力电池热失控致灾过程中产生的有毒有害物质的种类和数量，建立有毒有害物质的数据库；从热释放速率、总放热量、危害物生成速率等火灾动力学特性出发，定量分析着火、爆炸和有毒烟气等对乘员、电动汽车及周边的危害性，进一步研究动力电池系统热扩散发生后的潜在危害原理。在以上研究成果的基础上，明确锂离子电池系统热扩散危害的防护要求，从热防护、火灾防护、有毒烟气防护等几个方面，提出在产品应用过程中的有效防护措施和建议。
参考文献：
[1] DOUGHTY D ， ROTH E P. A general discussion of Li ion battery safety[J].The Electrochemical Society Interface, 2012, 21：37-44.
[2] BANDHAUER T M ， GARIMELLA S ， FULLER T F.A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries[J]. J Electrochem Soc ， 2011 ， 158(3)：21-25.
[3] 李会峰，庞静，卢世刚.锂离子电池滥用条件下的安全性研究[J].电源技术， 2013 ， 37(12)：2235-2238.
[4] COHEN S ， GULBINSKA M K ， PUGLIA F J. Lithium-ion cell and battery safety[J]. Lithium-ion Battery Materials and Engineering, 2014, 9: 115-150.
[5] MALEKI H, HOWARD J N. Internal short circuit in Li-ion cells[J].J Power Sources ， 2009 ， 191（2）：568-574. 分页标题
[6] 李宁，俞会根，盛军，等.锂离子电池内部短路研究进展[J].电源技术， 2016 ， 40(5)：1139-1141.
[7] 李坤.锂离子动力电池热—电化学耦合特性分析及有限元模拟[D].北京：北京理工大学， 2016.