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實(shí)現(xiàn)電池安全設(shè)計，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壓力膜是通過模具制作出來后焊接到蓋板上，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，熔斷原理見圖2，熔斷電流走向示意圖見圖3?



在鋰離子單體電池發(fā)生過充時，其電壓會超過三元材料的設(shè)計電壓4.2V，—直上升到5V左右，此時鋰離子單體電池內(nèi)部會發(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，極組溫度會急劇上升到8(TC，極組還會大量產(chǎn)氣?由于鋰離子單體電池是一個封閉的腔體，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)壓力超過一定值，鋰離子單體電池會發(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，壓力膜被頂起?同時，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，起到過充時保護(hù)極組的作用?

在對鋰離子單體電池進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)時，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)電流會達(dá)到1000A?這么大的電流會使極組發(fā)熱，迅速升溫到8(TC以上，隔膜會發(fā)生收縮失去隔離作用使極組內(nèi)部短路，同時發(fā)生副反應(yīng)，壓力會瞬時上升到1MPa以上，超過鋁殼體的拉伸強(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1000A時，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)行短路及過充測試，來驗(yàn)證帶安全裝置的鋰離子單體電池蓋板是否可以對電池過充和短路起到保護(hù)作用?

1.3  測試流程

(1)過充測試：單體蓄電池按照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，或充電時間達(dá)lh后停止充電?

(2)短路測試：單體蓄電池按照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  過充與短路實(shí)驗(yàn)

2.1  過充實(shí)驗(yàn)對比測試

(1)未安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池

過充對比測試中，按照GB/T31485-2015，首先對沒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)時未安裝安全裝置蓋板的電池過充測試曲線見圖4?



(2)安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池

安裝過充保護(hù)裝置的鋰離子單體電池在充電后，開始進(jìn)行過充實(shí)驗(yàn)，電芯在984S時電壓驟降，溫度急速上升，從40℃上升到50’C左右后開始下降?從圖4中可以看出溫度從730S開始上升，說明過充后較強(qiáng)烈的副反應(yīng)開始了，在副反應(yīng)發(fā)生了一段時間后，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，這時蓋板將極組與外界充電設(shè)備隔離，極組的副反應(yīng)無法持續(xù)，產(chǎn)熱結(jié)束，沒有嚴(yán)重的熱失控發(fā)生，實(shí)驗(yàn)測試曲線見圖5?



2.2  短路實(shí)驗(yàn)對比測試

(1)未安裝安全裝置蓋板的鋰離子單體電池

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



(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沒有發(fā)生溫度急劇上升的情況，電壓也沒有升高，說明在短路后的2500s后極組沒有發(fā)生熱失控現(xiàn)象，熔斷裝置也沒有恢復(fù)，徹底斷開了，所以短路測試通過，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖7?



在過充?短路實(shí)驗(yàn)中，使用沒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?這說明三元體系的鋰離子電池一般很難直接通過安全性實(shí)驗(yàn)，加裝了帶有安全裝置的蓋板后，電池的安全性測試能夠順利通過?

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了安全裝置在短路或過充時能夠切斷與外接負(fù)載或充電設(shè)備連接的外回路，可防止熱失控發(fā)生?安全裝置對處在短路?過充實(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?

3  安全裝置設(shè)計參數(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安全測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)對比，來針對此款電芯優(yōu)化出最佳的安全裝置設(shè)計參數(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)行測試?壓力膜的壓力值通過硬度去控制，壓力膜從各個壓力批次中去選擇?根據(jù)壓力值設(shè)計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)見表1?



從表1中可以看出；1#壓力值在0.2MPa，對其進(jìn)行過充，通過率達(dá)到100%，但是在高溫存儲6(TC過程中會發(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)在過充和高溫自斷率方面均達(dá)到要求，沒有出現(xiàn)過充熱失控或高溫存儲中內(nèi)部熔斷的情況；4#在過充中，只有3只鋰離子單體電池通過了過充實(shí)驗(yàn)，不滿足設(shè)計要求?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)計要求的?

3.2  熔斷絲截面積選擇

熔斷絲截面積越小，其過流性能越差，過流時發(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)計為兩根，用來增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，熔斷及過流測試是直接對兩根熔斷絲進(jìn)行測試，這樣能和實(shí)際情況完全一致。

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

電芯發(fā)生過充時，壓力膜未翻起，熔斷裝置應(yīng)可通過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；無論壓力膜翻起還是不翻起，當(dāng)電流大于1000A時，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，在此期間要測量電池溫升?

根據(jù)各大車廠的要求，在通過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4C的電流，且溫度超過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，且溫度未超過60’C，則對更小面積的熔斷裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至有一個條件不通過為止?如果2m㎡截面積的熔斷絲在1000A時不能夠瞬時熔斷，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過流瞬時能夠熔斷，在壓力膜翻起后10s內(nèi)也熔斷，則對更大截面積的熔斷絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至1000A過流時不熔斷為止?

這樣就可以針對某一型號電池篩選出“溶斷絲截面積最大，4C過流后溫度不高于6CTC，在1000A下瞬時熔斷，壓膜翻轉(zhuǎn)10s內(nèi)可熔斷”的熔斷絲截面積設(shè)計參數(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，進(jìn)行部件實(shí)驗(yàn)?

電池安全實(shí)驗(yàn)的“過充實(shí)驗(yàn)”是按GB/T31485-2015中過充實(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7天測出的?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程?高溫自斷率通過的標(biāo)準(zhǔn)是高溫存儲過程中，翻轉(zhuǎn)閥不動作，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，壓力膜的開啟壓力設(shè)定為0.3~0.4MPa可以保證在過充及短路時將壓力膜翻起，并且在6(TC滿電情況下高溫存儲7天沒有因?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)計為兩根鋁絲，將每根的熔斷面積確定為0.8~2m㎡，設(shè)計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)見表2。



由表2可知，1#~4#均可以完成過充實(shí)驗(yàn)，不發(fā)生熱失控的情況，5#~7#實(shí)驗(yàn)的過充通過率大大降低至無法通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)生防爆閥爆噴爆炸等情況?但是通過表2中4C電流通過率可以看出1#和2#電芯會有超過60℃的情況，3#~7#均可以通過4C測試?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?

對鋰離子單體電池蓋板的熔斷裝置單獨(dú)進(jìn)行焙斷時間測試，使用ARbin5V2000A測試系統(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，連接方式見圖3，加載的電流按600~1800A遞增?通過實(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)行溶斷時間測試?在600?800?1000?1200?1400?1600?1700?1800A的短路電流下，熔斷時間分別為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，熔斷時間越長?當(dāng)熔斷電流大于1000A時，即模擬壓力膜翻轉(zhuǎn)后，將正負(fù)極導(dǎo)通發(fā)生短路，熔斷時間滿足各大整車廠對鋰離子單體電池安全裝置的設(shè)計要求，所以每根焙斷面積1.3m㎡可以達(dá)到要求?

4  結(jié)論

過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)針對每款電池通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整部分設(shè)計參數(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)?