王 芳，林春景，劉 磊，劉仕強(qiáng)

動(dòng)力電池安全性的測(cè)試與評(píng)價(jià)

王 芳，林春景，劉 磊，劉仕強(qiáng)

（中國(guó)汽車技術(shù)研究研究中心有限公司，天津 300300）

動(dòng)力電池能量密度的提升對(duì)于其安全性的測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)提出了更高的要求。本文針對(duì)目前動(dòng)力電池安全性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系和評(píng)價(jià)方法等進(jìn)行了總結(jié)和分析。具體的，在電池單體層面，分析了本征安全性（熱穩(wěn)定性）的表征方法以及觸發(fā)安全性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)等，在電池系統(tǒng)層面，重點(diǎn)探討了電池系統(tǒng)安全性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)體系以及熱擴(kuò)散的測(cè)試評(píng)價(jià)方法，希望能夠?yàn)榻⒏涌茖W(xué)的定量測(cè)試與評(píng)價(jià)方法提供借鑒和參考。

動(dòng)力電池；安全性；測(cè)試；評(píng)價(jià)

相比于筆記本電腦、手機(jī)以及固定用途（如儲(chǔ)能、備用電源）等應(yīng)用場(chǎng)景，電動(dòng)汽車用鋰離子電池的使用環(huán)境更加復(fù)雜多變和苛刻，例如電池需要暴露在極寬的溫度范圍內(nèi)工作，電池包在車輛運(yùn)行過(guò)程中需要承受持久的振動(dòng)以及需要進(jìn)行高倍率的充放電等。其中，高倍率的充放電會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)熱增加，如果熱管理系統(tǒng)不能及時(shí)為電池散熱，高溫會(huì)引起電池內(nèi)部各種副反應(yīng)的發(fā)生，如SEI膜分解、負(fù)極與電解液反應(yīng)、電解液分解等，并最終導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。電池一旦進(jìn)入熱失控階段，將會(huì)面臨在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生起火、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。此外，與消費(fèi)類電子產(chǎn)品用電池不同的是，電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的容錯(cuò)率更低。以18650型電池為例，其發(fā)生內(nèi)部自發(fā)失效（或稱為現(xiàn)場(chǎng)失效，field failure）的概率可以控制在四千萬(wàn)分之一到千萬(wàn)分之一之間[1]，這對(duì)于消費(fèi)類電子產(chǎn)品而言是相對(duì)可靠的，但是在電動(dòng)汽車上使用時(shí)，由于電池包內(nèi)的電池單體數(shù)量通常數(shù)以百計(jì)甚至數(shù)以千計(jì)，因此即便是如此低的自發(fā)失效概率也需要引起足夠重視。

綜上所述，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的核心部件之一，提升其安全性是發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的重中之重，因此如何有效地開(kāi)展動(dòng)力電池安全性測(cè)試和評(píng)價(jià)也變得尤為迫切。本文結(jié)合目前的標(biāo)準(zhǔn)體系以及相關(guān)研究成果，對(duì)目前動(dòng)力電池安全性測(cè)評(píng)方法進(jìn)行分析和總結(jié)，希望能夠?yàn)榻⒏涌茖W(xué)的定量測(cè)試與評(píng)價(jià)方法提供有益借鑒和參考。

1 動(dòng)力電池單體安全性測(cè)試評(píng)價(jià)方法

1.1 動(dòng)力電池單體安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系

對(duì)于制造工藝水平較高的動(dòng)力電池而言，在正確使用狀態(tài)下發(fā)生起火、爆炸等的可能性微乎其微。只有當(dāng)在實(shí)際使用中，電池超出了其可用狀態(tài)邊界，發(fā)生例如過(guò)充、短路或者過(guò)溫時(shí)才有可能導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控。

盡管電池的熱失控是非正常情況，但是由于動(dòng)力電池在車上的工作狀態(tài)和實(shí)際使用環(huán)境復(fù)雜多變，因而不能忽視對(duì)電池?zé)崾Э匦袨榈难芯?。通過(guò)對(duì)電池?zé)崾Э匦袨榈难芯浚瓤梢哉莆针姵責(zé)崾Э剡^(guò)程的特點(diǎn)，在實(shí)際使用過(guò)程中及早發(fā)現(xiàn)安全隱患，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，又可以在電池發(fā)生熱失控時(shí)能夠采取有效的措施阻止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，為救援提供有力的技術(shù)支持。

經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)在動(dòng)力電池安全性方面形成了較為完善的系列測(cè)試方法。GB/T 31485—2015中關(guān)于電池單體安全性測(cè)試方法主要包括電安全性、環(huán)境安全性和機(jī)械安全性測(cè)試等3部分內(nèi)容，其分類依據(jù)如表1所示，各項(xiàng)內(nèi)容的測(cè)試規(guī)程可參考該標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)章節(jié)[2]。

表1 電池單體安全性的測(cè)試方法分類、評(píng)價(jià)指標(biāo)及驗(yàn)證方法

動(dòng)力電池的技術(shù)在進(jìn)步，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系也在不斷的豐富、完善。在動(dòng)力電池安全性的測(cè)試方面，《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)草案與GB/T 31485—2015、IEC 62660—2在測(cè)試對(duì)象和測(cè)試項(xiàng)目方面的對(duì)比如表2所示[3]?？梢钥闯觯跇?biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)方面，一方面考慮到電池單體自身的安全性以及電池系統(tǒng)層面的安全性防護(hù)是確保電池安全使用最重要的要素，因此新強(qiáng)標(biāo)草案中不再單獨(dú)考察模組的安全，保持與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的接軌；另一方面，該強(qiáng)標(biāo)草案中從系統(tǒng)的層面統(tǒng)籌考慮電池安全，在單體層面只保留相應(yīng)的基本安全要求，更加重視系統(tǒng)層面的安全保護(hù)功能，例如電池系統(tǒng)的熱擴(kuò)散測(cè)試，從體系的角度確保滿足人員防護(hù)和逃生的要求。

表2 動(dòng)力電池安全強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)草案與GB/T 31485、IEC 62660—2對(duì)比

1.2 動(dòng)力電池單體熱穩(wěn)定性測(cè)評(píng)

按照外界引入能量高低或者影響因素的多少，動(dòng)力電池單體的安全性可分為本征安全性（即熱穩(wěn)定性）和觸發(fā)安全性（包括過(guò)充、加熱、針刺、短路等外部因素導(dǎo)致的熱失控等）。其中對(duì)于前者而言，加速絕熱量熱儀是一種有效的表征手段。如圖1所示為市場(chǎng)上幾款鋰離子電池產(chǎn)品（其中樣品A、C、D為三元/碳體系電池，樣品B為磷酸鐵鋰/碳體系電池）熱穩(wěn)定性演變過(guò)程中的溫度和溫度變化速率曲線。如圖1所示，動(dòng)力電池的本征熱失控特征主要分為6個(gè)典型階段，即容量衰減、自產(chǎn)熱、隔膜融化、內(nèi)部短路、內(nèi)部溫度快速上升和剩余反應(yīng)等階段[4]。此外，對(duì)于不同材料體系的鋰離子電池，磷酸鐵鋰電池（樣品B）發(fā)生熱失控所需的孵化時(shí)間最長(zhǎng)，且發(fā)生劇烈熱失控的拐點(diǎn)溫度最高（以10 ℃/min作為發(fā)生劇烈熱失控的判據(jù)）。

相比于新鮮電池，電池在全生命周期范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性分析同樣重要，圖2為某款鋰離子電池在不同循環(huán)周期下的熱穩(wěn)定性演化曲線對(duì)比。從整體情況來(lái)看，不同循環(huán)周期的熱失控曲線上的溫度節(jié)點(diǎn)差別較大。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，SEI膜的分解溫度逐漸降低，電池發(fā)生熱失控的時(shí)間提前，越來(lái)越容易發(fā)生熱失控，這也就要求動(dòng)力電池系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和使用時(shí)，應(yīng)該充分考慮到電池在生命階段后期的實(shí)際情況，避免在電池使用一段時(shí)間后出現(xiàn)電池失效等情況，產(chǎn)生安全隱患。

圖1 幾款鋰離子電池在絕熱熱失控過(guò)程中溫度（a）和溫度變化速率（b）對(duì)比

圖2 某樣品在不同循環(huán)周期后的絕熱熱失控測(cè)試溫度變化曲線。（a）整體；（b）局部放大

1.3 動(dòng)力電池單體熱失控測(cè)試評(píng)價(jià)研究

1.3.1 動(dòng)力電池?zé)崾Э赜|發(fā)方法研究

如前所述，動(dòng)力電池在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)面臨各種各樣的環(huán)境和工況，因此需要研究和驗(yàn)證其觸發(fā)安全性的好壞。目前，行業(yè)普遍采用的熱失控觸發(fā)方法主要包括過(guò)充、加熱和針刺等，對(duì)3種典型的熱失控觸發(fā)方法的特點(diǎn)進(jìn)行比較，如表3所示。其它仍處于探索階段的觸發(fā)方法還包括內(nèi)短路等，主要依靠在電池內(nèi)部預(yù)埋記憶金屬、相變材料等實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)短路的可控觸發(fā)。該方法的觸發(fā)概率、重復(fù)性、位置自由 度等均較高，但由于在實(shí)際操作中只能由電池廠進(jìn) 行改裝，因此實(shí)施難度較大，從應(yīng)用的角度比較 受限。

表3 不同熱失控觸發(fā)方法特點(diǎn)比較

通過(guò)選取市場(chǎng)上常見(jiàn)的十幾款典型產(chǎn)品，分別以上述3種典型觸發(fā)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種觸發(fā)方式在樣品熱失控觸發(fā)概率上存在一定的差異，即加熱的方式可以觸發(fā)所有樣品發(fā)生熱失控，針刺幾乎可以觸發(fā)所有樣品發(fā)生熱失控，過(guò)充只能觸發(fā)46%的樣品發(fā)生熱失控。分析其原因主要是由于方形電池和圓柱電池的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，過(guò)充會(huì)觸發(fā)內(nèi)部保護(hù)機(jī)制發(fā)生作用，從而避免熱失控發(fā)生。進(jìn)一步的，基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，電池?zé)崾Э氐呐袛鄺l件可采用如下方案：

目前，上述熱失控判斷條件已被正在制定的國(guó)家強(qiáng)制性動(dòng)力電池安全標(biāo)準(zhǔn)所采用。

1.3.2 動(dòng)力電池單體全生命周期熱失控研究

隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池內(nèi)部有可能會(huì)發(fā)生SEI膜變化、鋰枝晶生長(zhǎng)、隔膜微孔等劣化現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致電池安全性的下降，因此研究動(dòng)力電池全生命周期安全性的演變特征對(duì)于產(chǎn)品的安全、可靠應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。圖3是某款鋰離子電池的短路安全性隨循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律，可以看出當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到1000次，電池的安全性會(huì)急劇劣化?？傮w而言，通過(guò)針對(duì)大量樣品在不同循環(huán)次數(shù)下針刺、加熱和過(guò)充安全性的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)有的鋰離子動(dòng)力電池其安全性演變呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，即在達(dá)到一定的老化狀態(tài)后安全性會(huì)突然劣化。同時(shí)少數(shù)樣品又呈現(xiàn)出特殊性，其安全性未隨循環(huán)次數(shù)的增加發(fā)生明顯劣化。因此需要針對(duì)具有特定材料體系和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特定對(duì)象開(kāi)展測(cè)評(píng)，從而為全生命周期內(nèi)電池管理系統(tǒng)和安全防護(hù)措施的設(shè)計(jì)提供必要指導(dǎo)。

圖3 某款鋰離子電池在不同循環(huán)次數(shù)下短路安全性的演變

2 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性測(cè)試評(píng)價(jià)

2.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系

安全性測(cè)試的目的在于驗(yàn)證動(dòng)力電池系統(tǒng)在濫用情況下的安全性，最重要的目的在于驗(yàn)證動(dòng)力電池系統(tǒng)保護(hù)自身的能力以及在發(fā)生危險(xiǎn)情況下對(duì)乘員的保護(hù)能力，主要包括機(jī)械、環(huán)境和保護(hù)安全性等內(nèi)容。其中，機(jī)械安全性測(cè)試主要是通過(guò)模擬不同的運(yùn)行條件，驗(yàn)證動(dòng)力電池系統(tǒng)在振動(dòng)、機(jī)械沖擊、模擬碰撞、跌落、擠壓等情況下的可靠性。

環(huán)境安全性測(cè)試是通過(guò)模擬不同的環(huán)境條件，驗(yàn)證電池系統(tǒng)在高溫、低溫、高溫高濕、溫度驟變、鹽霧、火燒、水浸等環(huán)境下的安全性。

保護(hù)可靠性是通過(guò)模擬車輛使用中可能發(fā)生的意外情況，驗(yàn)證電池系統(tǒng)的保護(hù)功能，包括過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)等方面。保護(hù)可靠性測(cè)試中，電池管理系統(tǒng)或保護(hù)裝置起作用是唯一的合格條件。制造商在保護(hù)條件設(shè)定上，可以分為不同的等級(jí)。以過(guò)充電為例，可以規(guī)定不同級(jí)別的電壓閾值對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)作——提示、報(bào)警、斷開(kāi)繼電器等。

2.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散測(cè)試評(píng)價(jià)

對(duì)于電池系統(tǒng)安全性測(cè)評(píng)而言，更重要的內(nèi)容是關(guān)于熱擴(kuò)散的測(cè)試。其主要是以確保車輛駕乘人員安全逃生為基本原則，驗(yàn)證動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控時(shí)，如何確保車內(nèi)乘客的人身安全。動(dòng)力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散安全性研究重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，主要包括熱失控觸發(fā)對(duì)象的選擇、熱失控觸發(fā)方式的選擇（包括不同觸發(fā)方法的等價(jià)性，以及相同觸發(fā)方法針對(duì)不同對(duì)象試驗(yàn)結(jié)果的可比性等）、判定條件的確定等方面，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)力電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散行為的特性和傳播的機(jī)理，從而為動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

在整車應(yīng)用層面，同樣需要考察整車工況下的安全性及其判定條件。如通過(guò)開(kāi)展將電池安裝于大巴車情況下發(fā)生熱失控及熱擴(kuò)散的分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電池發(fā)生熱失控約5 min后，火勢(shì)開(kāi)始蔓延并進(jìn)入到車內(nèi)。同時(shí)為確定滿載乘員的大巴車在突發(fā)電池?zé)崾Э厥鹿蕰r(shí)的人員逃離時(shí)間，試驗(yàn)中選擇了不同年齡段的人員作為試驗(yàn)對(duì)象，在不同情況下分別進(jìn)行了人員逃離的測(cè)試，用時(shí)最長(zhǎng)的情況為51 s。結(jié)合車輛從發(fā)現(xiàn)報(bào)警到緊急停車的時(shí)間，同時(shí)給出一定安全界限時(shí)間，初步確定了5 min的人員逃離時(shí)間，該限值作為整車人員逃生的最低要求值。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

本文針對(duì)目前動(dòng)力電池安全性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系和評(píng)價(jià)方法等進(jìn)行了總結(jié)和分析，其中在電池單體層面，主要分析了熱穩(wěn)定性（本征安全性）的表征方法以及觸發(fā)安全性的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀及趨勢(shì)等。在系統(tǒng)層面，重點(diǎn)討論了電池系統(tǒng)安全性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)體系以及熱擴(kuò)散的測(cè)試評(píng)價(jià)方法。

隨著新能源汽車的推廣應(yīng)用及保有量的逐年增加，很多車輛已經(jīng)行駛了幾年或數(shù)萬(wàn)公里，近期也陸續(xù)出現(xiàn)了一些電動(dòng)汽車的安全事故。掌握動(dòng)力電池全生命周期安全性的演變規(guī)律，以及對(duì)電池安全性在全生命周期范圍內(nèi)進(jìn)行有效檢測(cè)和管理，對(duì)于電動(dòng)汽車安全、可靠運(yùn)行以及動(dòng)力電池梯次利用等都具有重大意義。具體而言，建立動(dòng)力電池從單體到系統(tǒng)、覆蓋全生命周期的測(cè)試評(píng)價(jià)體系，并進(jìn)一步考慮實(shí)車應(yīng)用工況，從而形成動(dòng)力電池安全性的綜合測(cè)試評(píng)價(jià)體系，將有益于動(dòng)力電池行業(yè)的安全性水平升級(jí)。

[1] DOUGHTY D H, PESARAN A A. Vehicle battery safety roadmap guidance[C]//Register for the Automated Vehicles Symposium, San Francisco, 2012.

[2] GB/T 31485—2015 電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法[S]. 2015-05-15.

[3] IEC 62660—2: 2010 secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles - Part 2: Reliability and abuse testing[S].

[4] FENG X, SUN J, OUYANG M, et al. Characterization of penetration induced thermal runaway propagation process within a large format lithium ion battery module[J]. Journal of Power Sources, 2015, 275: 261-273.

Test and evaluation on safety of power batteries

WANG Fang, LIN Chunjing,LIU Lei, LIU Shiqiang

(China Automotive Technology & Research Center Co. Ltd., Tianjin 300300, China)

The increase in energy density of power batteries places higher demands on the test and evaluation methods of battery safety. This paper summarizes and analyzes the current test and evaluation methods for safety of power battery. Specifically, at the battery cell level, it includes the characterization method of intrinsic safety (i.e., thermal stability) and the status and trend of the test and evaluation standard system that triggers safety. At the system level, the standard system of battery system safety testing and the test method of thermal diffusion test are discussed in detail. It is expected that this work can provide reference for establishing more scientific quantitative testing and evaluation methods.

power battery; safety; test; evaluation

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0191

TQ 028.8

A

2095-4239（2018）06-0967-05

2018-09-20；

2018-09-30。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2018YFB0104400）。

王芳（1977—），女，博士，教授級(jí)高工，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力電池測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)，E-mail：wangfang2011@catarc.ac.cn；

林春景，博士，工程師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力電池測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)，E-mail：linchunjing@catarc.ac.cn。