吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (4): 1072-1080.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180159

• • 上一篇    

三元动力电池及其成组后的过充安全性试验

陈吉清1,2(),刘蒙蒙1,2,兰凤崇1,2()   

  1. 1. 华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广州 510640
    2. 华南理工大学 广东省汽车工程重点实验室, 广州 510640
  • 收稿日期:2018-02-10 出版日期:2019-07-01 发布日期:2019-07-16
  • 通讯作者: 兰凤崇 E-mail:chjq@scut.edu.cn;fclan@scut.edu.cn
  • 作者简介:陈吉清(1966?)，女，教授，博士生导师.研究方向：电动汽车结构与安全技术.E?mail：chjq@scut.edu.cn
  • 基金资助:
    广东省软科学研究计划项目(2015A080803002);广东省科技计划项目(2014B010106002,2016A050503021);广州市科技计划项目(201707020045)

Experiment on overcharge safety of NCM battery and battery pack

Ji⁃qing CHEN1,2(),Meng⁃meng LIU1,2,Feng⁃chong LAN1,2()   

  1. 1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China
    2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China
  • Received:2018-02-10 Online:2019-07-01 Published:2019-07-16
  • Contact: Feng?chong LAN E-mail:chjq@scut.edu.cn;fclan@scut.edu.cn

RICH HTML

 17   

PDF (PC)

158

摘要：

为提升动力电池的过充安全性，明确过充热失控的发生机理、行为特点及传播特性，对三元动力电池及其成组后的过充热失控行为展开试验研究，得出电池过充热失控有明显的触发演化过程；电池电压从开始急剧下降到电池温度急剧升高完全热失控之间存在一定的反应时间；随着热失控的不断拓展，电池热失控所达到的最高温度会逐渐升高；模组结构在一定程度上能抑制电池过充热失控的发生。最后,提出改善三元动力电池及其成组后过充安全性的具体建议。

关键词: 车辆工程, 三元动力电池, 过充安全性, 热失控传播

Abstract:

In order to improve the overcharge safety of power battery as well as clarify the occurrence mechanism, the behavior characteristics and the propagation law of overcharge thermal runaway, the experiment on overcharge thermal runaway of NCM battery and battery pack are carried out. The results show that there is an obvious evolution process of overcharge thermal runaway. There is a time interval between the sharp shutdown of battery voltage and the exponential rise of battery temperature. The maximum temperature that each battery reached during thermal runaway process is elevated increasingly along with the thermal runaway propagation. Furthermore, the module structure to some extent can restrain the occurrence of overcharge thermal runaway. Finally, the suggestions for improving the overcharge safety of NCM battery and battery pack are proposed based on the above results.

Key words: vehicle engineering, NCM power battery, overcharge safety, thermal runaway propagation

中图分类号: 

  • U469.72

图1

动力电池过充热失控及其传播机理示意图"

图2

电池一致性测试"

图3

电池单体过充热失控试验温度测点"

图4

电池模组过充热失控传播试验"

图5

电池单体过充热失控过程中的电压、温度变化曲线"

表1

电池单体过充热失控行为特点"

过充时间/s 电压变化 温度变化 具体现象 热失控情况
约1800 逐渐平稳上升 温度缓慢上升 明显鼓包 未热失控
约3540 电压突然升高至10.156 V 温度快速上升

①鼓包量达到最大；

②电解液发生喷溅

 濒临热失控
约3550 电压急剧下降至4.7 V 温度持续上升 开始大量冒烟 开始热失控
约3560 电压缓慢下降4.2 V 温度加速上升 有火星出现但未燃烧 逐渐热失控
约3600 电压瞬间下降为0 V 温度急剧上升 开始起火并剧烈燃烧 完全热失控
约3720 0 V 温度有所下降 明火持续燃烧 持续热失控
约4080 0 V 逐渐冷却至室温 火焰慢慢熄灭 热失控结束

图6

电池单体过充热失控过程中不同时刻的热失控反应现象"

图7

电池成组过充热失控传播过程中的温度、电压和反应现象的变化情况"

图8

热失控传播过程前1800 s内电池温度、电压的变化曲线"

图9

热失控传播过程关键600 s内电池温度和 电压的变化曲线"

图10

热失控传播关键600 s内各电池的温度分布情况"

1 Ohsaki T , Kishi T , Kuboxi T , et a1 .Overcharge reaction of lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2005, 146: 97-100.
2 庞静，卢世刚，刘莎 . 锂离子电池过充特性的研究[J]. 电化学，2005(4): 398-401.
Pang Jing , Lu Shi-gang , Liu Sha . A study of overcharge characteristic of lithium-ion cells[J]. Electrochemistry, 2005(4): 398-401.
3 崔灿 . 锂离子动力蓄电池安全性的研究与应用[D]. 北京: 清华大学机械工程学院，2014.
Cui Can . Study and application of Li-ion battery safety[D]. Beijing: College of Mechanical Engineering, Tsinghua University, 2014.
4 Belov D Y , Mohua H . Investigation of the kinetic mechanism in overcharge process for Li-ion battery[J]. Solid State Ionics, 2008, 179(27-32):1816-1821.
5 王莉，李建军，高剑，等 . 钴酸锂正极锂离子电池的过充电安全性[J]. 电池，2012，42(6): 299-301.
Wang Li , Li Jian-jun , Gao Jian , et al . Overcharge safety of Li-ion battery with lithium cobalt oxide cathode[J]. Battery Bimonthly, 2012, 42(6): 299-301.
6 郑葳 . 立方体锂离子电池过充危险性研究及其热模型分析[D]. 北京: 北京理工大学机电学院，2015.
Zheng Wei . Fire risk and thermal analysis on the overcharge reaction of lithium ion battery[D]. Beijing: College of Electromechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, 2015.
7 刘恒伟，李建军，谢潇怡，等 .大尺寸三元锂离子动力电池过充电安全性研究[J].新材料产业. 2015(3):48-52.
Liu Heng-wei , Li Jian-jun , Xie Xiao-yi , et al . Study on overcharged safety of large NCM power battery[J]. Advanced Materials Industry, 2015(3): 48-52.
8 Chen Man , Sun Qiu-juan , Li Yong-qi , et al . A thermal runaway simulation on a lithium titanate battery and the battery module [J]. Energies, 2015,8(1): 490-500.
9 Feng Xu-ning , Lu Lan-guang , Ouyang Ming-gao , et al . A 3D thermal runaway propagation model for a large format lithium ion battery module[J]. Energy, 2016, 115:194-208.
10 Lopez C F , Jeevarajan J A , Mukherjee P P . Experimental analysis of thermal runaway and propagation in lithium-ion battery modules[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2015, 162(9): 1905-1915.
11 胡棋威 . 锂离子电池热失控传播特性及阻断技术研究[D]. 北京: 中国舰船研究院，2015.
Hu Qi-wei . Study on lithium-ion batteries thermal runaway propagation characteristics and blocking techniques[D]. Beijing: Institute of China Ship Research, 2015.
12 段冀渊 . 锂离子电池安全性能评价技术研究[D]. 上海: 华东理工大学机械与动力工程学院，2013.
Duan Ji-yuan . Investigation on safety evaluation of lithium-ion battery[D]. Shanghai: School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, 2013.
13 杨明国，金鑫，李文斌 . 锂离子电池热失控传播研究进展[J]. 船电技术，2015(9): 48-51.
Yang Ming-guo , Jin Xin , Li Wen-bin . Review on thermal runaway propagation of lithium-Ion battery packs[J]. Marine Electric, 2015(9): 48-51.
14 Feng Xu-ning , Fang Mou , He Xiang-ming , et al . Thermal runaway features of large format prismatic lithium ion battery using extended volume accelerating rate calorimetry[J]. Journal of Power Sources, 2014, 255: 294-301.
15 Lamb J , Orendorff C J , Steele L A M , et al . Failure propagation in multi-cell lithium ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2015, 283: 517-523.
16 Feng Xu-ning , Sun Jing , Ouyang Ming-gao , 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.
17 Feng Xu-ning , He Xiang-ming , Ouyang Ming-gao , et al . Thermal runaway propagation model for designing a safer battery pack with 25Ah LiNi x Co y Mn z O2 large format lithium ion battery[J]. Applied Energy, 2015, 154: 74-91.
[1] 李静,石求军,刘鹏,户亚威. 基于纵向车速估算的商用车ABS神经网络滑模控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1017-1025.
[2] 杨顺,蒋渊德,吴坚,刘海贞. 基于多类型传感数据的自动驾驶深度强化学习方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1026-1033.
[3] 陈鑫,李铭,阮新建,王宁,王佳宁. 基于浸入单元法和延迟分离涡模型的Ahmed车模尾流涡旋结构[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1034-1042.
[4] 周华,杨志刚,朱晖. 基于整车风洞试验的MIRA车型数值计算[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1043-1053.
[5] 柳润东,毛军,郗艳红,张宏宇,彭飞. 横风下高速列车会车压力波对风障的气动冲击[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1054-1062.
[6] 秦国锋,那景新,慕文龙,谭伟,栾建泽,申浩. 高温老化对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1063-1071.
[7] 常成,宋传学,张雅歌,邵玉龙,周放. 双馈电机驱动电动汽车变频器容量最小化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1629-1635.
[8] 席利贺,张欣,孙传扬,王泽兴,姜涛. 增程式电动汽车自适应能量管理策略[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1636-1644.
[9] 何仁,杨柳,胡东海. 冷藏运输车太阳能辅助供电制冷系统设计及分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1645-1652.
[10] 那景新,慕文龙,范以撒,谭伟,杨佳宙. 车身钢-铝粘接接头湿热老化性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1653-1660.
[11] 刘玉梅,刘丽,曹晓宁,熊明烨,庄娇娇. 转向架动态模拟试验台避撞模型的构建[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1661-1668.
[12] 赵伟强, 高恪, 王文彬. 基于电液耦合转向系统的商用车防失稳控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1305-1312.
[13] 宋大凤, 吴西涛, 曾小华, 杨南南, 李文远. 基于理论油耗模型的轻混重卡全生命周期成本分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1313-1323.
[14] 朱剑峰, 张君媛, 陈潇凯, 洪光辉, 宋正超, 曹杰. 基于座椅拉拽安全性能的车身结构改进设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1324-1330.
[15] 那景新, 浦磊鑫, 范以撒, 沈传亮. 湿热环境对Sikaflex-265铝合金粘接接头失效强度的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1331-1338.
Viewed
Full text


Abstract

Cited
  Shared   
  Discussed   
No Suggested Reading articles found!
版权所有 © 《吉林大学学报(工学版)》编辑部
地址：长春市人民大街5988号　电话：+86-431-85095297　传真：+86-431-85094074　E-mail: xbgxb@jlu.edu.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发