1、第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology过充、过热及其共同作用下车用三元锂离子电池热失控特性何骁龙，石晓龙，王子阳，韩路豪，姚斌（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026）摘要：锂离子电池作为目前电动汽车的主要能源电池，其在外界滥用条件下的热失控问题受到广泛关注，研究不同滥用下尤其是多种滥用共同作用下的电池热失控特性可有效提高电池使用安全性。本工作以车用50 Ah方型动力三元锂离子电池单体作为研究对象，利用大功率充放电循环仪和电加热装置，进行
2、了1 C倍率过充、150 W局部过热及其共同作用下的电池热失控实验。对不同工况下热失控实验现象、质量损失、温度变化、升温速率变化、升温部位和电压变化等实验结果进行对比分析，结果表明：过充过热共同作用下电池热失控具有更大危险性，电池热失控时间比单一滥用减少约35%，热失控时电池SOC比过充减小约35%，电池电压会出现“持续上升突降至零”现象。本研究可为车用三元锂离子电池热管理系统安全设计提供参考。关键词：三元锂离子电池；热失控；过充；过热；共同作用doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0391 中图分类号：TM 912 文献标志码：A文章编号：2095-4239（2023
3、）01-218-09Experimental study on thermal runaway characteristics of vehicle NCM lithium-ion batteries under overcharge，overheating，and their combined effectsHE Xiaolong,SHI Xiaolong,WANG Ziyang,HAN Luhao,YAO Bin(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei
4、230026,Anhui,China)Abstract:The thermal runaway problem of lithium-ion batteries under external abuse has attracted widespread attention as it is currently the main energy battery of electric vehicles.Studying the thermal runaway characteristics of batteries under various abuse,especially under the
5、combined action of multiple cases of abuse,can effectively improve the safety of battery use.In this study,the vehicle 50 Ah square power NCM lithium-ion battery monomer is taken as the research object,and the experiments of 1 C rate overcharge,150 W local overheating,and battery thermal runaway und
6、er the combined action was performed by using high-power charge-discharge cycle instrument and electric heating device.The experimental results of the thermal runaway phenomenon,mass loss,temperature change,temperature rise rate change,temperature rise position,and voltage change under different wor
7、king conditions were compared and analyzed.The results show that the batterys thermal runaway duration under the combined effect of overcharging and overheating is about 35%less than that of single abuse.The battery can release a large amount of heat by releasing gas and surface heat conduction.Unde
8、r the combined action,the first heating part of the battery is the pole piece and the heating surface.When the contact heating is out of control due to the 储能测试与评价收稿日期：2022-07-12；修改稿日期：2022-09-22。基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（wk2320000053）。第一作者：何骁龙（1998），男，在读硕士研究生，研究方向为锂离子电池热安全技术，E-mail：；通讯作者：姚斌，副教授，研究方向为火
9、灾科学领域，E-mail：。第 1 期何骁龙等：过充、过热及其共同作用下车用三元锂离子电池热失控特性combined action of overcharge and overheating,the SOC of the battery reduces by roughly 35%in comparison to that of the overcharge.Under the combined action,the battery voltage will appear in the“continuous rise-sudden drop to zero”phenomenon.This st
10、udy can provide a reference for the safety design of the NCM lithium-ion battery thermal management system.Keywords:NCM lithium-ion battery;thermal runaway;overcharge;overheat;combined action近年来在传统能源短缺和大气污染的背景下，新能源汽车在全球范围内得到了迅速的发展，我国新能源汽车行业发展规划(20212035年)也指出发展新能源汽车是绿色发展的重要战略1。锂离子电池具有高能量密度、高电压和长循环寿命等
11、突出优点，被广泛应用于电动汽车上，是目前电动汽车的主要能源电池2。另一方面，由于锂离子电池的高能量密度和较低热稳定性，电池在外界滥用条件下将发生热失控从而造成汽车安全事故3。触发电池热失控的单一滥用条件可分为机械滥用、电滥用和热滥用三类4。不同滥用触发热失控的机理不同，热失控行为也有所区别，针对不同滥用触发电池热失控的对比研究已被广泛开展并取得一定成果。陈吉清等5对12 Ah车用三元锂电池进行了过温、过充和内短路三种热失控实验，发现相同条件下过充热失控的剧烈程度最强。Huang等6对38 Ah三元锂电池进行实验，研究了过充和过热触发热失控及传播的特性，结果表明，过充触发热失控更加严重，但开放环
12、境中过热触发的热失控更易传播。除了单一滥用，电池在复杂多变的工作环境中将面临不止一种滥用条件，其中以电热共同作用最为常见，如在电动汽车充电站火灾中车辆电池将受到电和热的共同影响从而触发热失控，目前已有学者开始对多种滥用共同作用触发热失控展开研究。许金龙等7建立了电热耦合滥用的锂离子电池热失控模型，结果表明在过充过热耦合下，电池热失控SOC有所降低。朱磊8采用数值模拟方法以温度为媒介建立了热-电滥用耦合模型，研究表明加热位置为正极极耳时的温度整体略低于在负极极耳处加热，过充是电滥用中最危险的因素。综上可知目前对于不同滥用触发锂离子电池热失控的实验研究主要针对单一滥用场景，而对电-热共同滥用的研究
13、多采用数值模拟，且未和单一滥用触发热失控进行充分对比。另一方面锂离子电池随容量增大而散热能力减弱，电池热危险性相应增大9，因此有必要采用更大容量锂离子电池作为研究对象。基于以上分析，本工作针对50 Ah方型动力三元锂离子电池单体进行过充、过热及其共同作用的热失控实验，对比讨论三种条件下电池热失控的燃烧现象、温度和电压变化等结果，以得到电-热共同滥用与单一滥用下车用三元锂离子电池热失控特性区别，所得结论可对电动汽车充电站等存在多种滥用条件的特殊场所的电池安全预警技术开发提供一定参考。1 实验1.1实验对象实验选取一款额定容量为50 Ah的某商用方型铝壳三元NCM523锂离子电池作为实验对象，即电
14、池正极材料镍钴锰的比例为532，电池尺寸为148 mm27 mm97 mm，最大截止电压4.2 V，最小截止电压2.7 V。对实验电池进行充放电循环，电池的充放电容量保持在(51.20.5)Ah，常温下内阻为0.4 m，表明该批次电池一致性满足实验要求。实验前将电池充电至100%SOC。1.2实验平台实验在特制燃烧室进行10，如图1所示，燃烧室尺寸为1015 mm700 mm1820 mm，由5 mm不锈钢板+50 mm陶瓷纤维板+1 mm不锈钢板制成，能够承受电池爆炸、燃烧产生的冲击波和高温火焰，保证实验安全进行。正面开窗并安设防爆玻璃用于观察实验，侧部设有穿线孔用以安装热电偶、电压线等探测
15、装置，顶端安装排气管，排气管尾端连接风机，设有气体采样口。实验时将电池放置在钢制夹具之中，通过旋紧螺栓螺杆固定电池。为减少夹具对传热影响，在夹具和电池之间放置环氧树脂隔热板，隔热板尺寸和电池前后表面尺寸一致。实验使用THW无纸记录仪采集电池电压数据，在燃烧室观察窗外布设高清网络摄像机和红外热成像仪记录实验过程。实验采用直径为1 mm的铠装K型热电偶进行温度测量，温度数据采样频率为1 Hz。在电池正面中心、侧面中心、正负极片表面各安装1个热电偶，在电池背面沿对角线安装3个热电偶，具体热电偶2192023 年第 12 卷储能科学与技术布置示意图如图2所示10。1.3实验方案实验共设置过充、过热及过
16、充过热共同作用三种工况，每组工况至少重复两组实验。过充采取1 C倍率，为控制过充和过热的热失控时间趋近一致以便对比讨论，前期进行了预实验确定加热功率为150 W，该加热功率下电池热失控时间接近于1C过充下电池热失控时间。详细工况参数见表1。各工况实验示意图如图3所示。过充实验采用新威CE-6001n大功率充放电循环仪进行，该型号循环仪额定功率7058 W，最大可输出100 A的直流充电电流，本次实验采用50 A电流，即以1 C的充电倍率对电池恒流充电，直至电池发生热失控，循环仪自动断电报警。过热实验采用电加热片对电池正面进行加热，加热片外部为铝片，内部由电阻丝和云母片构成，加热片尺寸与电池前后表面尺寸一致。加热片功率设置图1实验平台示意图Fig.1Schematic diagram of experimental platorm图2热电偶布置示意图Fig.2Schematic diagram of thermocouple arrangement表1工况设置Table 1Cases setting序号123滥用方式过充过热过充过热共同作用具体参数1 C(50 A)恒流充电150 W加热
