淺析動力電池模組過充問題

汪承曄，劉英澤，羅志民，金慧芬

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淺析動力電池模組過充問題

汪承曄，劉英澤，羅志民，金慧芬

（天津力神電池股份有限公司車載系統(tǒng)事業(yè)部，天津 300384）

安全是鋰離子電池廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，它貫穿著鋰離子電池使用的整個生命周期，過充是影響鋰離子電池安全的重要因素之一，如果發(fā)生過充時不能實現(xiàn)有效的保護，將會發(fā)生起火爆炸等安全事故。單電芯結(jié)構(gòu)簡單、散熱好，可以通過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計及電芯材料配方調(diào)整相對容易實現(xiàn)過充保護；電池包有電池管理系統(tǒng)（BMS）及高壓控制器件，也容易實現(xiàn)過充保護；電池模組是介于電池包與電芯的中間層級，其安全是保證電池包安全的最后一道有力屏障，但由于模組結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，散熱比單電芯要差，其過充保護要難于電芯。本文通過分析電芯與模組過充保護的影響因素及區(qū)別，進行對應(yīng)的試驗驗證，分析過充過程的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，找到影響模組過充保護的關(guān)鍵因素，制定對應(yīng)的改善措施及方案，實現(xiàn)模組的過充安全保護。

動力鋰離子電池；模組；結(jié)構(gòu)復(fù)雜；過充；安全

自1990年鋰離子二次電池成功研制并商業(yè)化以來，鋰離子電池由于具有電壓高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)及無污染等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[1]。近年來，市場對鋰離子電池需求量與日俱增，并對鋰離子電池的安全性提出了更高要求[2]。過充是影響鋰離子電池安全的重要因素之一，之前的過充研究大多集中在電芯和電池包層面[3-5]，模組作為電芯與電池包的中間層級，在電池包的電池管理系統(tǒng)（battery management system，簡稱BMS）失效的情況下，模組過充的安全保護就成為保證電池包安全的一道有力屏障。模組由于沒有高壓器件保護，且其結(jié)構(gòu)相比電芯也更加復(fù)雜，因此模組的過充保護相比電芯和電池包有很大差別，下面就模組過充保護的必要性及如何實現(xiàn)過充保護進行分析。

1 模組過充保護的必要性

電池模組是介于電芯與電池包的中間層級，目前車用動力電池包大部分采用標準電模組設(shè)計。電芯層級可以通過電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料配方調(diào)整實現(xiàn)過充保護；電池包層級可以通過BMS控制高壓開關(guān)器件實現(xiàn)過充保護，但是模組一般都沒有高壓控制單元，其結(jié)構(gòu)也比單個電芯復(fù)雜。當BMS失效，高壓開關(guān)無法實現(xiàn)有效斷開的情況下，過充保護重任就轉(zhuǎn)移到了模組層級，所以模組如何實現(xiàn)有效的過充保護尤為重要。

2 鋰離子電池電芯過充保護機理分析

鋰離子電池過充時，電壓隨極化增大而迅速上升，會引起正極活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化及電解液分解，產(chǎn)生大量氣體，放出大量熱，使電池溫度和內(nèi)壓急劇增加，存在爆炸、燃燒等隱患[6]，不同形狀鋰離子電池過充保護設(shè)計不太一樣，下文以目前動力電池市場上最常見的方形電池為例進行說明。方形電池內(nèi)部一般都設(shè)計了過充安全裝置（overcharge safety device，簡稱OCSD①），電芯內(nèi)部連接示意圖見圖1。電芯正極與OCSD連接。當電芯內(nèi)部壓力達到一定程度時，OCSD翻轉(zhuǎn)與負極連接，這時電池正負極短路，電池內(nèi)部保險絲熔斷，電池極組與外部斷開連接，充電電流將不再通過電芯內(nèi)部極組，見圖2。

3 模組過充保護機理分析

模組沒有高壓開關(guān)器件的控制，雖然其最終的保護也是依靠電芯內(nèi)部的保護，但由于其結(jié)構(gòu)與單電芯差異較大，導致其過充保護影響因素更多，下文以1P5S和2P5S模組為例來說明模組的過充保護機理。

圖1 正常OCSD狀態(tài)

圖2 OCSD翻轉(zhuǎn)后狀態(tài)

1P5S模組結(jié)構(gòu)如圖3，5個電芯串聯(lián)在一起，充電電流方向見下面箭頭方向。過充測試時第一只電芯達到過充保護，OCSD翻轉(zhuǎn)，這只電芯相當于在回路中形成通路（原理見上文電芯過充保護分析）。其它電芯以此類推，直到最后一只電芯OCSD翻轉(zhuǎn)，整個充電回路形成一個短路狀態(tài)。但實際應(yīng)用過程中，由于電芯個體差異，過充時其內(nèi)部產(chǎn)氣量及OCSD翻轉(zhuǎn)時間都不一樣，電芯過充時產(chǎn)熱會加速其周邊電芯的產(chǎn)氣和升溫，可能會導致個別電芯泄壓閥打開或溫度過高（泄壓閥打開后，電芯內(nèi)部的鋰會與空氣中的水分接觸起火），最終導致電池起火、爆炸。所以1P5S模組過充保護的關(guān)鍵前提是電芯一致性要好，5只電芯OCSD翻轉(zhuǎn)時間應(yīng)同時或控制在盡可能短的時間內(nèi)。

圖3 1P5S模組

2P5S模組結(jié)構(gòu)如圖4，充電電流方向見圖4箭頭方向。

圖4 2P5S模組

2P5S模組過充保護與1P5S相比，影響因素更加復(fù)雜。下文分析了兩只電芯并聯(lián)后的過充保護機理。圖5是正常的2P電池電氣連接圖，圖6是2P中一只電芯因過充后OCSD翻轉(zhuǎn)后的電氣連接圖，電芯A OCSD翻轉(zhuǎn)，其相當于導線，把電芯B短路。這時電芯B在承受過充產(chǎn)生的熱量的同時，還在承受著短路產(chǎn)生的熱量，如果電芯B內(nèi)部的保險絲不能馬上熔斷或者其內(nèi)部OCSD不能馬上翻轉(zhuǎn)，電芯B極有可能會因為過熱發(fā)生起火、爆炸；多并結(jié)構(gòu)模組過充除了串聯(lián)回路的過充壓力，同時并聯(lián)回路也存在著短路壓力，因此多串多并模組相比多串單并模組過充保護難度更大。

圖5 正常2P電池電氣連接圖

圖6 電池A OCSD翻轉(zhuǎn)后電氣連接圖

4 模組過充保護測試

為了驗證模組結(jié)構(gòu)差異對過充測試的影響，參照GBT31485—2015[7]進行過充試驗，對比測試結(jié)果及數(shù)據(jù)如下文所述。

4.1 正常結(jié)構(gòu)1P5S模組過充試驗

正常結(jié)構(gòu)1P5S模組進行過充試驗，5只電芯OCSD都翻轉(zhuǎn)（翻轉(zhuǎn)后電壓變?yōu)? V），但翻轉(zhuǎn)時間前后相差42 s（圖7），在這個過程中有電芯的泄壓閥被打開。在靜置50 min左右時電池溫度急劇升高，然后開始燃燒（圖8）。

4.2 對泄壓閥進行過特殊處理的1P5S模組過充試驗

考慮到泄壓閥打開對過充保護的影響，對試驗樣品的防爆閥進行特殊處理，使其在過充壓力下無法打開。試驗過程中5只電芯OCSD先后翻轉(zhuǎn)，前后相差30 s（圖9）。由于泄壓閥被特殊處理過，泄壓閥未被打開，靜置50 min左右，電池溫度未見明顯升高（圖10），電池未出現(xiàn)著火、爆炸等現(xiàn)象，由此證明保證泄壓閥不被打開對過充保護的重要作用。

圖7 正常模組過充電壓曲線

圖8 正常模組過充溫度曲線

圖9 特制模組過充電壓曲線

圖10 特制模組過充溫度曲線

4.3 多并結(jié)構(gòu)模組過充試驗

為了證明多并模組的影響因素，設(shè)計了一個2P模組的過充試驗，試驗過程中監(jiān)控2只電池各自回路的電流，試驗方案見圖11。

圖11 多并模組過充試驗連接圖

過充試驗過程中電芯A的OCSD先翻轉(zhuǎn)，current sensor2馬上監(jiān)控到兩只電芯并聯(lián)回路上的電流，最大電流超過1000 A，很快電池因為溫度過高起火爆炸（圖12、圖13）。

圖12 多并模組過充電壓、電流曲線

圖13 多并模組過充電壓、溫度曲線

5 結(jié) 論

根據(jù)以上對模組過充保護機理及保護失效原因的分析，模組的過充保護改善可以從如下幾個方面進行。

（1）精確控制電芯產(chǎn)氣時間及產(chǎn)氣量，過充時的產(chǎn)氣量應(yīng)控制在OCSD能翻轉(zhuǎn)但泄壓閥又不會打開的范圍內(nèi)；

（2）提升電芯OCSD與泄壓閥的一致性，使其翻轉(zhuǎn)或開啟的壓力應(yīng)保持一致，模組過充時不同電芯OCSD翻轉(zhuǎn)時間不能相差太長，泄壓閥不會打開；

（3）改善模組串并聯(lián)連接材料，當電池過充或溫度過高時，可以斷開串并聯(lián)連接回路；

（4）改善模組串并聯(lián)連接材料，當電池過充或溫度過高時，可以斷開串并聯(lián)連接回路。

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①：OCSD是一種有一定弧度和彈性的金屬機械裝置，位于電池上部（靠近殼蓋）。當電池發(fā)生過充時，電池內(nèi)部產(chǎn)氣，當產(chǎn)氣量達到一定程度時，由下而上的壓力迫使OCSD發(fā)生翻轉(zhuǎn)。通過大量單體電池的過充試驗證實OCSD可以有效起到過充保護的作用。

Analysis of overcharge problem of power battery module

WANG Chengye, LIU Yingze, LUO Zhimin, JIN Huifen

(Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd., Tianjin 300384, China)

Lithium-ion battery overcharging is a major safty issue in using, if it is not protected as overcharge occurs, there will be a safety accident such as fire and explosion. A single cell has simple structure and the heat dissipation is good, it can be easily protected by its internal structure design and battery material formulation adjustment. The battery pack has the battery management system(BMS) and high voltage control device, and it is easy to be protected from overcharge.The battery module is in the middle level between the battery pack and the cell, and its safety is the last powerful barrier to ensure the safety of the battery pack. However, the module structure is relatively complicated, the heat dissipation is relatively poor compared to the cell, and its overcharge protection is more difficult than the cell. By analyzing the influencing factors and differences of cell and module overcharge protection, carrying out test verification, analyzing the voltage, current, temperature and other of the overcharge process, the key factors affecting the overcharge protection of the module was found and formulate corresponding improvement measures and solutions was proposed to realize the overcharge safety protection of the module.

power Li-ion battery; module; complex structure; overcharge; safety

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0173

TM 911

A

2095-4239（2018）06-1135-04

2018-09-03；

2018-09-20。

國家自然科學基金項目（21771018，21701101）。

汪承曄（1980—），男，本科，從事動力電池系統(tǒng)和模組的性能、安全等測試評價及相關(guān)研究工作，E-mail：ct102557@lishen.com.cn。