詳解充電機(jī)充電動力蓄電池的破壞性測試
2018-12-2 16:11:38??????點擊：
充電機(jī)充電動力蓄電池的安全性是新能源汽車發(fā)展中備受關(guān)注的熱點，關(guān)于充電機(jī)充電動力蓄電池安全方面測試項目大致分為安全測試和濫用測試。下面通過一些例子來看一下這兩個測試。
充電機(jī)充電動力蓄電池產(chǎn)品關(guān)乎用戶的生命安全，其安全設(shè)計和要求在整個電池系統(tǒng)設(shè)計中處于最高優(yōu)先級。這需要選擇合適的電池材料、優(yōu)化單體電池設(shè)計、強(qiáng)化模組和系統(tǒng)的電氣安全設(shè)計、應(yīng)用FMEA工具綜合考慮/分析各種安全失效模式和應(yīng)對措施，從而設(shè)計出高性能、高安全的充電機(jī)充電動力蓄電池產(chǎn)品。
圖1 電池安全和濫用測試項目
充電機(jī)充電動力蓄電池的安全性是新能源汽車發(fā)展中備受關(guān)注的熱點，圖1是TUV的關(guān)于充電機(jī)充電動力蓄電池安全方面測試項目，大致分為安全測試(Safety Testing)和濫用測試(Abuse Testing)。
其中擠壓(crush)測試和針刺(nail penetration)測試屬于濫用測試。這兩項測試對電池的破壞性很大。擠壓是直接對電池施加外部機(jī)械力，迫使電池發(fā)生形變，從而造成電池內(nèi)部各部分的機(jī)械變形，產(chǎn)生外部內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織破壞(例如隔膜斷裂、刺穿)，產(chǎn)生內(nèi)部短路，促發(fā)可能的熱失控。
針刺是外部金屬異物直接刺入電池內(nèi)部，刺穿電池內(nèi)部組分，同樣造成內(nèi)部短路，促發(fā)可能的熱失控。這里通過一些例子來看一下這兩個測試。
圖2 LFP 50Ah電池的針刺測試
先看一下LFP/C電池的測試。LFP材料的熱穩(wěn)定性相對較高，在濫用測試中有助于抑制或延緩熱時空的發(fā)生。這里是ELIIY Power的50Ah(106Wh/kg)電池的一個案例，由TUV做的針刺測試。
針刺刺入的位置在電池表面的中心。從鋼針刺入的整個過程來看，該電池沒有觀察到任何異常現(xiàn)象，顯示出較高的安全性(圖2a-2c)。
圖3 鋼針粗細(xì)對針刺結(jié)果的影響
關(guān)于針刺試驗，EC Power利用仿真技術(shù)研究了鋼針的粗細(xì)對NCM電池(5Ah，120Wh/kg)針刺測試結(jié)果的影響。有一組數(shù)據(jù)可供參考：
20mm的鋼針，針刺位置溫度達(dá)到150攝氏度需要150秒。
10mm鋼針，針刺位置溫度達(dá)到150攝氏度需要75秒。
5mm鋼針，針刺位置溫度達(dá)到150攝氏度僅僅需要2秒(圖3)。
說明采用較細(xì)的鋼針，在針刺位置的局部溫升相對更快，更加容易造成電池?zé)崾Э亍?br />
圖4 LFP 50Ah電池的擠壓測試
圖4同樣是EIILY Power的50Ah LFP電池的擠壓測試，擠壓位置也在電池中間位置。
從擠壓頭擠壓到電池厚度一半左右的位置，電池沒有觀察到任何異常現(xiàn)象(圖4a，4b)。
繼續(xù)擠壓時，可以看到電池內(nèi)部電解液噴射出來(圖4c)。
繼續(xù)擠壓時，開始出現(xiàn)少量白煙(圖4d)；擠壓到圖4e位置時，觀察到電池殼體開始發(fā)生破裂。
圖4f是100%擠壓變形了，電池殼體已經(jīng)被擠壓破裂成兩半，并且可以觀察到在右邊半塊電池表面的塑料包裝膜開始受熱收縮，說明此時電池內(nèi)部溫升較快。
盡管如此，在整個擠壓過程中，電池沒有出現(xiàn)著火、爆炸現(xiàn)象，顯示出較好的安全特性。
圖5 擠壓測試失敗案例
圖5是一個單體電池的擠壓測試的失敗案例。從擠壓頭開始擠壓電池，電池就有少量白煙從頂部冒出(圖5b)，接著就開始噴射出大量白煙(圖5c)，緊接著在第六秒鐘就噴射出大量火星和火焰，電池完全著火爆炸，數(shù)秒鐘之內(nèi)，著火爆炸產(chǎn)生的氣體、煙霧、飛濺出來的殘留物就彌漫到整個測試房間內(nèi)。
我們看一下鋰離子電池在熱失控后從電池內(nèi)部都釋放出哪些氣體。當(dāng)然，由于每種電池的組成、結(jié)果、化學(xué)狀態(tài)都存在差異，釋放出來的氣體各有差異。通常，這些氣體都是可燃的，當(dāng)熱失控造成電池內(nèi)部溫度快速上升到一定程度，就有可能觸發(fā)燃燒。
這里以一個40Ah NCM/C軟包電池為例說明，它的電解液為LiPF6/EMC/DEC/EC。在充滿電的情況下，通過針刺出發(fā)熱失控，從而采集分析釋放的氣體成分。分析結(jié)果顯示，釋放出來的氣體成分主要包括：
EMC：碳酸甲酯乙基酯
DEC：碳酸二乙酯
EC：碳酸乙烯酯
Benzene：苯
Toluene：甲苯
Styrene：苯乙烯
Biphenyl：聯(lián)苯
Acrolein：丙烯醛
CO：一氧化碳
COS：硫化碳酰
Hydrogen fluoride：這是氟化氫
上述這些物質(zhì)中，有些是氣體，有些是揮發(fā)的液體。前三種物質(zhì)是電解液本身揮發(fā)出來的，后面幾種物質(zhì)都是在熱失控過程中形成的新物質(zhì)。上面所有物質(zhì)都已具有一定毒性的，在一定溫度下都是可燃的。
下面再看一個傳統(tǒng)消費類電池，電池材料為LiCoO2/C，2.1Ah軟包電池，能量為7.7Wh。
觸發(fā)熱失控后通過設(shè)備采集氣體進(jìn)行分析，得到表1結(jié)果。這里的氣體成分包括：
一氧化碳、二氧化碳、氫氣。
甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷。
其中，在100%SOC和150%SOC下，體積含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氫氣。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氫氣，其余是烷烴、烯烴、苯等有機(jī)物，這些也可使可燃?xì)怏w。
同時測量釋放出來的氣體的含量(表2)，從50%SOC到100%SOC，熱失控后釋放出來的氣體含量增加了3倍多。在150%SOC，釋放的氣體含量達(dá)到了50%SOC下的7.5倍，一個小小的電池竟然可以釋放出這么多的氣體。
充電機(jī)充電動力蓄電池產(chǎn)品關(guān)乎用戶的生命安全，其安全設(shè)計和要求在整個電池系統(tǒng)設(shè)計中處于最高優(yōu)先級。這需要選擇合適的電池材料、優(yōu)化單體電池設(shè)計、強(qiáng)化模組和系統(tǒng)的電氣安全設(shè)計、應(yīng)用FMEA工具綜合考慮/分析各種安全失效模式和應(yīng)對措施，從而設(shè)計出高性能、高安全的充電機(jī)充電動力蓄電池產(chǎn)品。
圖1 電池安全和濫用測試項目
充電機(jī)充電動力蓄電池的安全性是新能源汽車發(fā)展中備受關(guān)注的熱點，圖1是TUV的關(guān)于充電機(jī)充電動力蓄電池安全方面測試項目，大致分為安全測試(Safety Testing)和濫用測試(Abuse Testing)。
其中擠壓(crush)測試和針刺(nail penetration)測試屬于濫用測試。這兩項測試對電池的破壞性很大。擠壓是直接對電池施加外部機(jī)械力，迫使電池發(fā)生形變，從而造成電池內(nèi)部各部分的機(jī)械變形，產(chǎn)生外部內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織破壞(例如隔膜斷裂、刺穿)，產(chǎn)生內(nèi)部短路，促發(fā)可能的熱失控。
針刺是外部金屬異物直接刺入電池內(nèi)部，刺穿電池內(nèi)部組分，同樣造成內(nèi)部短路，促發(fā)可能的熱失控。這里通過一些例子來看一下這兩個測試。
圖2 LFP 50Ah電池的針刺測試
先看一下LFP/C電池的測試。LFP材料的熱穩(wěn)定性相對較高，在濫用測試中有助于抑制或延緩熱時空的發(fā)生。這里是ELIIY Power的50Ah(106Wh/kg)電池的一個案例，由TUV做的針刺測試。
針刺刺入的位置在電池表面的中心。從鋼針刺入的整個過程來看，該電池沒有觀察到任何異常現(xiàn)象，顯示出較高的安全性(圖2a-2c)。
圖3 鋼針粗細(xì)對針刺結(jié)果的影響
關(guān)于針刺試驗，EC Power利用仿真技術(shù)研究了鋼針的粗細(xì)對NCM電池(5Ah，120Wh/kg)針刺測試結(jié)果的影響。有一組數(shù)據(jù)可供參考：
20mm的鋼針，針刺位置溫度達(dá)到150攝氏度需要150秒。
10mm鋼針，針刺位置溫度達(dá)到150攝氏度需要75秒。
5mm鋼針，針刺位置溫度達(dá)到150攝氏度僅僅需要2秒(圖3)。
說明采用較細(xì)的鋼針，在針刺位置的局部溫升相對更快，更加容易造成電池?zé)崾Э亍?br />
圖4 LFP 50Ah電池的擠壓測試
圖4同樣是EIILY Power的50Ah LFP電池的擠壓測試，擠壓位置也在電池中間位置。
從擠壓頭擠壓到電池厚度一半左右的位置，電池沒有觀察到任何異常現(xiàn)象(圖4a，4b)。
繼續(xù)擠壓時，可以看到電池內(nèi)部電解液噴射出來(圖4c)。
繼續(xù)擠壓時，開始出現(xiàn)少量白煙(圖4d)；擠壓到圖4e位置時，觀察到電池殼體開始發(fā)生破裂。
圖4f是100%擠壓變形了，電池殼體已經(jīng)被擠壓破裂成兩半，并且可以觀察到在右邊半塊電池表面的塑料包裝膜開始受熱收縮，說明此時電池內(nèi)部溫升較快。
盡管如此，在整個擠壓過程中，電池沒有出現(xiàn)著火、爆炸現(xiàn)象，顯示出較好的安全特性。
圖5 擠壓測試失敗案例
圖5是一個單體電池的擠壓測試的失敗案例。從擠壓頭開始擠壓電池，電池就有少量白煙從頂部冒出(圖5b)，接著就開始噴射出大量白煙(圖5c)，緊接著在第六秒鐘就噴射出大量火星和火焰，電池完全著火爆炸，數(shù)秒鐘之內(nèi)，著火爆炸產(chǎn)生的氣體、煙霧、飛濺出來的殘留物就彌漫到整個測試房間內(nèi)。
我們看一下鋰離子電池在熱失控后從電池內(nèi)部都釋放出哪些氣體。當(dāng)然，由于每種電池的組成、結(jié)果、化學(xué)狀態(tài)都存在差異，釋放出來的氣體各有差異。通常，這些氣體都是可燃的，當(dāng)熱失控造成電池內(nèi)部溫度快速上升到一定程度，就有可能觸發(fā)燃燒。
這里以一個40Ah NCM/C軟包電池為例說明，它的電解液為LiPF6/EMC/DEC/EC。在充滿電的情況下，通過針刺出發(fā)熱失控，從而采集分析釋放的氣體成分。分析結(jié)果顯示，釋放出來的氣體成分主要包括：
EMC：碳酸甲酯乙基酯
DEC：碳酸二乙酯
EC：碳酸乙烯酯
Benzene：苯
Toluene：甲苯
Styrene：苯乙烯
Biphenyl：聯(lián)苯
Acrolein：丙烯醛
CO：一氧化碳
COS：硫化碳酰
Hydrogen fluoride：這是氟化氫
上述這些物質(zhì)中，有些是氣體，有些是揮發(fā)的液體。前三種物質(zhì)是電解液本身揮發(fā)出來的，后面幾種物質(zhì)都是在熱失控過程中形成的新物質(zhì)。上面所有物質(zhì)都已具有一定毒性的，在一定溫度下都是可燃的。
表1 氣體成分
下面再看一個傳統(tǒng)消費類電池，電池材料為LiCoO2/C，2.1Ah軟包電池，能量為7.7Wh。
觸發(fā)熱失控后通過設(shè)備采集氣體進(jìn)行分析，得到表1結(jié)果。這里的氣體成分包括：
一氧化碳、二氧化碳、氫氣。
甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷。
其中，在100%SOC和150%SOC下，體積含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氫氣。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氫氣，其余是烷烴、烯烴、苯等有機(jī)物，這些也可使可燃?xì)怏w。
同時測量釋放出來的氣體的含量(表2)，從50%SOC到100%SOC，熱失控后釋放出來的氣體含量增加了3倍多。在150%SOC，釋放的氣體含量達(dá)到了50%SOC下的7.5倍，一個小小的電池竟然可以釋放出這么多的氣體。
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