环球电气之家-午夜精彩视频-中国专业电气电子产品行业服务网站！

為了更好地實(shí)現(xiàn)鋰離子電池安全使用，除了合理提升比能量這一手段外，還需要其他輔助方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電池安全設(shè)計(jì)，如電池管理系統(tǒng)(BMS)均衡?合理溫控?極端工況下防短路的安全裝置?本文提出的“電池蓋板安全裝置”是實(shí)現(xiàn)電池安全使用與保護(hù)的手段之一?針對(duì)力神電池51Ah的三元鋰離子單體電池的安全狀態(tài)進(jìn)行分析研究，考察在過(guò)充和短路狀態(tài)下，不同的參數(shù)(熔斷面積?壓力膜起翻壓力)等對(duì)安全極限實(shí)驗(yàn)的的影響并確定最佳參數(shù)?

1  實(shí)驗(yàn)

1.1  過(guò)充及短路保護(hù)原理

此安全裝置是蓋板的一部分，包含壓力膜及溶斷裝置s壓力膜是通過(guò)模具制作出來(lái)后焊接到蓋板上，其材質(zhì)是鋁，熔斷裝置是在蓋板的下極板上沖壓出鋁絲的形狀后，用PPS進(jìn)行注塑(見(jiàn)圖1)，保證鋁絲的結(jié)構(gòu)不被破壞，鋁絲的熔斷電流等于鋰離子單體電池蓋板的短路電流，熔斷原理見(jiàn)圖2，熔斷電流走向示意圖見(jiàn)圖3?



在鋰離子單體電池發(fā)生過(guò)充時(shí)，其電壓會(huì)超過(guò)三元材料的設(shè)計(jì)電壓4.2V，—直上升到5V左右，此時(shí)鋰離子單體電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生劇烈的副反應(yīng)，正極的化學(xué)結(jié)構(gòu)坍塌，并且會(huì)在正極極片的表面出現(xiàn)析鋰，析出的鋰離子刺穿隔膜，造成短路，極組溫度會(huì)急劇上升到8(TC，極組還會(huì)大量產(chǎn)氣?由于鋰離子單體電池是一個(gè)封閉的腔體，內(nèi)部空隙非常小，所以產(chǎn)氣后內(nèi)部壓力急劇上升，當(dāng)壓力超過(guò)一定值，鋰離子單體電池會(huì)發(fā)生爆炸?帶安全裝置的鋰離子單體電池，當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到膜翻起的臨界點(diǎn)0.4MPa時(shí)，壓力膜被頂起?同時(shí)，正負(fù)極短接，電路電流達(dá)到1000A左右，從而將熔斷裝置中的鋁絲熔斷，將極組回路與外界充放電回路斷開(kāi)，起到過(guò)充時(shí)保護(hù)極組的作用?

在對(duì)鋰離子單體電池進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)時(shí)，極組?外部電阻?熔斷裝置組成串聯(lián)回路，假定滿荷電態(tài)單體電壓3.8V，外接短路電阻約是3.5mfl，鋰離子單體電池的內(nèi)阻為0.6mfl左右，那么鋰離子單體電池的短路實(shí)驗(yàn)電流會(huì)達(dá)到1000A?這么大的電流會(huì)使極組發(fā)熱，迅速升溫到8(TC以上，隔膜會(huì)發(fā)生收縮失去隔離作用使極組內(nèi)部短路，同時(shí)發(fā)生副反應(yīng)，壓力會(huì)瞬時(shí)上升到1MPa以上，超過(guò)鋁殼體的拉伸強(qiáng)度，發(fā)生爆炸?如果蓋板安裝了安全裝置，當(dāng)短路電流超過(guò)1000A時(shí)，鋁絲自行擦斷，使極組與蓋板和蓋板外短路點(diǎn)隔離，防止鋰離子單體電池持續(xù)短路，從而保護(hù)了電極極組?

1.2  電池制作

分別使用帶安全裝置的電池蓋板和不帶安全裝置的電池蓋板，以三元材料為正極材料，采用正常的生產(chǎn)工藝進(jìn)行電池制作，將制作完成的電芯進(jìn)行短路及過(guò)充測(cè)試，來(lái)驗(yàn)證帶安全裝置的鋰離子單體電池蓋板是否可以對(duì)電池過(guò)充和短路起到保護(hù)作用?

1.3  測(cè)試流程

(1)過(guò)充測(cè)試：?jiǎn)误w蓄電池按照GB/T31485-2015的方式進(jìn)行充電，電池滿電后，以1A電流恒流充電至電壓達(dá)到企業(yè)技術(shù)條件中規(guī)定的充電終止電壓的1.5倍，即6.3V，或充電時(shí)間達(dá)lh后停止充電?

(2)短路測(cè)試：?jiǎn)误w蓄電池按照GB/T31485-2015的方式進(jìn)行充電，將單體蓄電池正?負(fù)極經(jīng)外部短路10min，外接電阻應(yīng)小于5Ω?

2  過(guò)充與短路實(shí)驗(yàn)

2.1  過(guò)充實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試

(1)未安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池

過(guò)充對(duì)比測(cè)試中，按照GB/T31485-2015，首先對(duì)沒(méi)有安全裝置的鋰離子單體電池進(jìn)行充電，鋰離子單體電池充滿電后，在過(guò)充后的2500S發(fā)生了劇烈爆炸?鋰離子單體電池的表面溫度高達(dá)8(TC，內(nèi)部的溫度足以使隔膜變形收縮，使極組短路，并且會(huì)發(fā)生產(chǎn)氣嚴(yán)重的副反應(yīng)，所以內(nèi)部的溫度?氣壓會(huì)進(jìn)一步急劇上升，導(dǎo)致熱失控，電芯在2500s以后發(fā)生爆炸?實(shí)驗(yàn)時(shí)未安裝安全裝置蓋板的電池過(guò)充測(cè)試曲線見(jiàn)圖4?



(2)安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池

安裝過(guò)充保護(hù)裝置的鋰離子單體電池在充電后，開(kāi)始進(jìn)行過(guò)充實(shí)驗(yàn)，電芯在984S時(shí)電壓驟降，溫度急速上升，從40℃上升到50’C左右后開(kāi)始下降?從圖4中可以看出溫度從730S開(kāi)始上升，說(shuō)明過(guò)充后較強(qiáng)烈的副反應(yīng)開(kāi)始了，在副反應(yīng)發(fā)生了一段時(shí)間后，在984s左右內(nèi)部壓力達(dá)到0.4MPa，壓力膜變形至壓力膜翻起后的位置(如圖2中標(biāo)注的壓力膜翻起后位置)，導(dǎo)致正負(fù)極之間短路?電壓驟降至0V，這時(shí)蓋板將極組與外界充電設(shè)備隔離，極組的副反應(yīng)無(wú)法持續(xù)，產(chǎn)熱結(jié)束，沒(méi)有嚴(yán)重的熱失控發(fā)生，實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線見(jiàn)圖5?



2.2  短路實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試

(1)未安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池

首先進(jìn)行短路測(cè)試，對(duì)沒(méi)有安裝此安全裝置的電芯進(jìn)行測(cè)試?在測(cè)試中短路電流非常大，反應(yīng)過(guò)于劇烈，在鋰離子單體電池的正負(fù)極柱表面有火星，然后在非常短的時(shí)間內(nèi)鋰離子單體電池爆炸，所以無(wú)法檢測(cè)到數(shù)據(jù)，圖6為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片?



(2)安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池

安裝了短路安全裝置的鋰離子單體電池，在設(shè)備對(duì)電芯進(jìn)行短路后的5s，熔斷裝置徹底斷路，將極組與外界隔絕?在后面觀察的2500s沒(méi)有發(fā)生溫度急劇上升的情況，電壓也沒(méi)有升高，說(shuō)明在短路后的2500s后極組沒(méi)有發(fā)生熱失控現(xiàn)象，熔斷裝置也沒(méi)有恢復(fù)，徹底斷開(kāi)了，所以短路測(cè)試通過(guò)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7?



在過(guò)充?短路實(shí)驗(yàn)中，使用沒(méi)有安全裝置的電池蓋板的電池爆炸了，使用了有安全裝置的電池蓋板的電池未爆炸?這說(shuō)明三元體系的鋰離子電池一般很難直接通過(guò)安全性實(shí)驗(yàn)，加裝了帶有安全裝置的蓋板后，電池的安全性測(cè)試能夠順利通過(guò)?

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了安全裝置在短路或過(guò)充時(shí)能夠切斷與外接負(fù)載或充電設(shè)備連接的外回路，可防止熱失控發(fā)生?安全裝置對(duì)處在短路?過(guò)充實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的鋰離子電池有保護(hù)作用，但仍然存在熔斷與翻轉(zhuǎn)不同步不匹配的現(xiàn)象，這需要進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，改進(jìn)安全裝置設(shè)計(jì)?

3  安全裝置設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

3.1  壓力膜實(shí)驗(yàn)

為了提高鋰離子單體電池通過(guò)安全測(cè)試的一致性及可靠性，達(dá)到上述效果，需要進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，來(lái)針對(duì)此款電芯優(yōu)化出最佳的安全裝置設(shè)計(jì)參數(shù)?

安全裝置由壓力膜和熔斷裝置兩部分組成，所以參數(shù)按照裝置動(dòng)作的先后順序進(jìn)行確定?先進(jìn)行壓力膜參數(shù)的確定，鋰離子單體電池內(nèi)部壓力通常在0.1MPa左右，而且防爆閥開(kāi)啟壓力下限在0.6MPa，所以在0.2~0.5MPa范圍內(nèi)分別進(jìn)行測(cè)試?壓力膜的壓力值通過(guò)硬度去控制，壓力膜從各個(gè)壓力批次中去選擇?根據(jù)壓力值設(shè)計(jì)4組實(shí)驗(yàn)，每組20只鋰離子單體電池，壓力膜壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1?



從表1中可以看出；1#壓力值在0.2MPa，對(duì)其進(jìn)行過(guò)充，通過(guò)率達(dá)到100%，但是在高溫存儲(chǔ)6(TC過(guò)程中會(huì)發(fā)生鋰離子單體電池自斷路的情況，所以此壓力值偏低；2#和3#實(shí)驗(yàn)在過(guò)充和高溫自斷率方面均達(dá)到要求，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)充熱失控或高溫存儲(chǔ)中內(nèi)部熔斷的情況；4#在過(guò)充中，只有3只鋰離子單體電池通過(guò)了過(guò)充實(shí)驗(yàn)，不滿足設(shè)計(jì)要求?因此，從此批次的實(shí)驗(yàn)中看出，壓力膜在0.3~0.4MPa之間是滿足設(shè)計(jì)要求的?

3.2  熔斷絲截面積選擇

熔斷絲截面積越小，其過(guò)流性能越差，過(guò)流時(shí)發(fā)熱量越大，越容易熔斷?由于溶斷裝置為較細(xì)的鋁絲，強(qiáng)度較弱，為了保證熔斷裝置強(qiáng)度，所以將熔斷裝置設(shè)計(jì)為兩根，用來(lái)增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，熔斷及過(guò)流測(cè)試是直接對(duì)兩根熔斷絲進(jìn)行測(cè)試，這樣能和實(shí)際情況完全一致。

對(duì)熔斷裝置的要求是：熔斷絲截面積最大，4C過(guò)流后溫度不高于60℃，在1000A下瞬時(shí)溶斷?壓膜翻轉(zhuǎn)10s內(nèi)可培斷?

電芯發(fā)生過(guò)充時(shí)，壓力膜未翻起，熔斷裝置應(yīng)可通過(guò)4C的電流，熔斷絲不熔斷；當(dāng)壓力膜翻起后，熔斷裝置可以熔斷；無(wú)論壓力膜翻起還是不翻起，當(dāng)電流大于1000A時(shí)，熔斷絲應(yīng)熔斷?

此款電池的容量為51Ah，若以4C電流放電，放電到截止電壓2.7V需15min左右，在此期間要測(cè)量電池溫升?

根據(jù)各大車廠的要求，在通過(guò)4C電流放電后，完成放電的電池溫度應(yīng)低于6(TC?假設(shè)溶斷絲截面積在0.8~2m㎡區(qū)間，那么：

如果0.8m㎡截面積的熔斷絲能通過(guò)4C的電流，且溫度超過(guò)60’C，則不再進(jìn)行低于0.8m㎡熔斷絲的實(shí)驗(yàn)；如果4C電流可以通過(guò)，且溫度未超過(guò)60’C，則對(duì)更小面積的熔斷裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至有一個(gè)條件不通過(guò)為止?如果2m㎡截面積的熔斷絲在1000A時(shí)不能夠瞬時(shí)熔斷，則不進(jìn)行更大截面積溶斷絲實(shí)驗(yàn)，要向減小截面積方向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至1000A能夠熔斷為止；若1000A過(guò)流瞬時(shí)能夠熔斷，在壓力膜翻起后10s內(nèi)也熔斷，則對(duì)更大截面積的熔斷絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至1000A過(guò)流時(shí)不熔斷為止?

這樣就可以針對(duì)某一型號(hào)電池篩選出“溶斷絲截面積最大，4C過(guò)流后溫度不高于6CTC，在1000A下瞬時(shí)熔斷，壓膜翻轉(zhuǎn)10s內(nèi)可熔斷”的熔斷絲截面積設(shè)計(jì)參數(shù)?

3.3  —體化部件實(shí)驗(yàn)

前面做了截面積選擇單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，下面組合起來(lái)，進(jìn)行部件實(shí)驗(yàn)?

電池安全實(shí)驗(yàn)的“過(guò)充實(shí)驗(yàn)”是按GB/T31485-2015中過(guò)充實(shí)驗(yàn)所規(guī)定的條件進(jìn)行?熔絲高溫自斷率實(shí)驗(yàn)是60℃滿電情況下，高溫存儲(chǔ)7天測(cè)出的?熔絲自斷現(xiàn)象是因?yàn)檎顟B(tài)的鋰離子單體電池，由于高溫導(dǎo)致的內(nèi)部壓力升高，將壓力膜頂起，導(dǎo)致熔斷裝置起作用的過(guò)程?高溫自斷率通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)是高溫存儲(chǔ)過(guò)程中，翻轉(zhuǎn)閥不動(dòng)作，熔斷裝置不發(fā)生熔斷?

熔斷裝置的參數(shù)確定：在實(shí)驗(yàn)中，壓力膜的開(kāi)啟壓力設(shè)定為0.3~0.4MPa可以保證在過(guò)充及短路時(shí)將壓力膜翻起，并且在6(TC滿電情況下高溫存儲(chǔ)7天沒(méi)有因?yàn)楦邷貙?dǎo)致的內(nèi)部壓力升高，將壓力膜頂起，導(dǎo)致熔斷裝置起作用的情況，即高溫不會(huì)發(fā)生自斷現(xiàn)象?所以壓力膜的翻起壓力值在0.3~0.4MPa，為了保證強(qiáng)度將熔斷裝置設(shè)計(jì)為兩根鋁絲，將每根的熔斷面積確定為0.8~2m㎡，設(shè)計(jì)6組實(shí)驗(yàn)?先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果都能熔斷則再做單根0.8m㎡以下的實(shí)驗(yàn)和2m㎡以上的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。



由表2可知，1#~4#均可以完成過(guò)充實(shí)驗(yàn)，不發(fā)生熱失控的情況，5#~7#實(shí)驗(yàn)的過(guò)充通過(guò)率大大降低至無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)生防爆閥爆噴爆炸等情況?但是通過(guò)表2中4C電流通過(guò)率可以看出1#和2#電芯會(huì)有超過(guò)60℃的情況，3#~7#均可以通過(guò)4C測(cè)試?從此實(shí)驗(yàn)中可以得出，熔斷面積選定兩根溶斷絲截面積1.2~1.4m㎡為最佳值，可以較好地匹配此款電芯?

對(duì)鋰離子單體電池蓋板的熔斷裝置單獨(dú)進(jìn)行焙斷時(shí)間測(cè)試，使用ARbin5V2000A測(cè)試系統(tǒng)，該設(shè)備可提供最大電流2000A，把培斷裝置連接在設(shè)備上，連接方式見(jiàn)圖3，加載的電流按600~1800A遞增?通過(guò)實(shí)驗(yàn)，熔斷絲截面積為1.2~1.4m㎡的安全裝置的蓋板部件可以滿足要求?然后在此基礎(chǔ)上，選擇1.3m㎡為截面積選擇的中值，用該尺寸的熔斷絲進(jìn)行溶斷時(shí)間測(cè)試?在600?800?1000?1200?1400?1600?1700?1800A的短路電流下，熔斷時(shí)間分別為112.211?20.780?6.000?4.501?2.490?1.410，1.320、0.990s。

可以看出熔斷電流越小，熔斷時(shí)間越長(zhǎng)?當(dāng)熔斷電流大于1000A時(shí)，即模擬壓力膜翻轉(zhuǎn)后，將正負(fù)極導(dǎo)通發(fā)生短路，熔斷時(shí)間滿足各大整車廠對(duì)鋰離子單體電池安全裝置的設(shè)計(jì)要求，所以每根焙斷面積1.3m㎡可以達(dá)到要求?

4  結(jié)論

過(guò)充短路安全裝置可以明顯地改善鋰離子單體電池的安全注，提升安全實(shí)驗(yàn)的通過(guò)率，安全裝置因與鋰離子單體電池的容量?內(nèi)阻特性相關(guān)，所以在使用前應(yīng)針對(duì)每款電池通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整部分設(shè)計(jì)參數(shù)，做到專款專用，將壓力膜硬度和熔斷的截面積參數(shù)與鋰離子單體電池匹配好，做到最優(yōu)?