【摘要】锂离子动力电池系统热失控扩展是造成电动汽车火灾事故的主要原因之一，文章以由圆柱形电池构成的动力电池系统对象，热触发单个电芯热失控的方式，通过采集电芯和模组的电压、温数，对电芯热失控及在模组和系统内热扩析与研究。结果表明，电热失控诱发热扩展过程较为短暂，约5s引发第二节电芯热失控；热失控发生前，触发电芯的负极采样温度高
极，且负极温变速稳；热失控发生后，受极喷射火焰影响，直接串接模组存在更高风险，在热扩展中受影响最大。
-Abstract]Thermae runaway expansion of lithium-ion power battery system is one of the main couses of electhc vehide fire accigents.In this papee，the power batere system composed of cylindri-cd lithium一ion batere i s taken as the tesi object.The therma runaway of singee ceU is triggered by heating.By collecting the voltage，temperature and othee characteristio parametere of celi and moduie，the thermai runaway and thermai expansion characteristicc within tee range of moduie and system are tested and anaeyeed.Theeesuetsshowthatthepeooesottheemaeeunawayonduoed bytheemaeeunaway is short，oniy after5seconds the thermai runaway of the second core is ccused.Before thermai runaway oc
cuia，the sampling temperature of tee necativv electrode of tee thgger celi is higher than that of the positivv electrode，and tee necativv temperature rate is stable;dfter the thermal runaway occuia，the module directly connected witli the positivv electrode has higher risk due te the influencc of eie positivv jet tlame，and is most atected in the thermal expansion.
-关键词】电池系统热失控温度特性电动汽车
doi：10.3969/j.issn.1007-4554.2021.01.02
0引言
大力推进新能源汽车发展，是我国在转：源消费结构、改善环境、提升能源效面做出的选择，也是推动我国汽车产业转型升级，实现我国从汽车大国迈向汽车强国的必：路。随我国新能源汽车保有量日趋增高，由此的车辆自燃、电池衰减以及车电故障等汽车安全问题已不容忽视。截至2020年6，针对新能源汽车安全问题，行业
42起，企业主动实施召回18起，其中车占比最高，为89%。在1至5万公车辆发生的中，由动力电池故障引发的火灾
77%，而电芯热失控是动力电池发生故障的：原因，82%，，通过采集数，研究电芯热失控及在模组、
电池系统内热扩展的
[1]o
收稿日期:2020-10-29
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电池热失控
是由电池内短路造成
的，其诱有电 、 和热 。其中，
热
指因温度过高引起电池内 料发生 ，进而诱发热失控，在 过程中电池内
的放热顺序依次为:SEI 膜
、负极与电液
、隔膜融化（吸热）、电 质溶液 ［反、极
以及黏结剂 。目前主流的锂电池电
有3种：圆柱、方形和软
系统，不同的 结 有不同的 ，近年国
内外 对不同 的电池热失控现象 '
了较多研究260。圆柱 电池的
，具有
工艺成熟、自动程度高、
质稳定和成本相对较 点，有较高的市
及率，其结
构系统包括：正极、安全阀、PTC 元件、电流切断
、
、负极材料、隔膜和壳体等。
本文以加热作为触发 ，对三元材料 % NCM523）的圆柱形电芯诱发热失控，进而对动力
电池系统热扩
研究，通过采集不同
的
温度、电压
数，分析热失控的发生和扩展
，以期为动力电池系统温
、监控及保护
设
。
1试验对象与方法
1.1试验对象
本文 对象为由18650圆柱形电芯组成的 电池系统， 容 112.5 Ah ， 前电池系统
的SOC 为95%， 数 1 。
表1动力电池系统和单体电芯主要参数
项目材料 体系额定电 压/V
额定容 量/Ah 额定能 量/W ・h 尺寸/mm
重量
/T 合
电芯NCM523 3.65 2.59.125! 18.5 X 6546 ±0.05-
电池系统
-
87.6
112.5
9 855
1 060 x 630
x 250
150 000
45巴4S
电池系统内部模组串接编序、模组温 样
点 及编序 1 % ；） ，电池系统的总负
极至总正极的模组 依次为M1 -M24，在 、 面上呈“ S ）
，对的电压、温
别为
V1 -V24、T1 -T24。单节电芯的正极和负极通过
合 联成组，温、电压采集点
模组极
接处，模组
隔热防护材料。触
发电 电池系统中
模组M13上侧，其
温
样点及编序
1 % b ）
，在触发电芯的
极、负极及邻近3节电芯负极处的连接
上
布置温度采集线，编号为T25 -T29，其中T26位于
触发电
极 上。
图1电池系统内部模组串接及改造模组示意图
1.2试验方法
本文选
热的 作为热失控触发方式，将加热电 触发电芯上。GB 38031
-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》
C
中的加热
求 2 ，触发对象
电能（＜ 100 W ・h 时，加热装置最大 选择范
30 - 300 W 〔2A 0 o
测热失控过程前
的参数 况，选取加热 的电
电阻
1.5 "，最大 100 W o
热失控后
发的热扩 况， 前打开电池系统上
；
设置温度、电压采样 1 Hz ，
时
15： 12： 50，电芯加热起始时间为15： 13： 40o 触发
电芯热失控的
条 下：
% 1）触发单体产生电压降，且下降值超过初始 电压的25% ；
% 2）监测点温
到规定的最高工作温度；
%3&监测点的温升速率d T/Ts " 1 °C/s ，且持
续3 s 以上。
% 1）和% 3）或% 2）和% 3）发生时，判定发生单
体热失控。
表2加热装置功率选择
触发对象电能E/W ・h
加热装置最大功率/W
(<100
30 -300
100 !E <400300 - 1 000400 !E<800
300 -2 000
E "800
>600
8・
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2试验结果分析
2.1试验进程
程中各关键事件发生时间节点与实物
2
o
575 s
75 s 44 s
15:13:40 电芯并始加热
15:12:50
开始采样==记亲 50 s
图2试验进程中事件发生时间轴
由图2可知，开始加热电芯前50 s 打开温度
和电压采样
，在 热 575 s 出现迸发
火焰，电 热失控后迅速诱发电池系统起火，随
热失控扩展，不 有新的电芯发生热失控 成
火势迅速
，伴随火焰 火势不
大，约
30 s 后火
满整个电池系统 续燃烧，火焰高
度约为3叫温 高约为900 h ，在75后 冶
火，电池系统完全
，水面火焰仍持续
约40 s ，火焰
有大量水泡，表明电池在继续
体。
2.2电芯采样特征分析
基于电 面的采样数据，对触发电芯、周边
电芯及所在模组 析，温、电压及温变速率-时 3 和 4 o
3和4
:
% 1）触发电芯发生热失控前，模组电压
稳
定不变；电负极
样温度较正极上升更
为平稳，温变速率基本在-0. 1 -0. 2 h/s 范围
内；正极镰带处采样点T26温度则表现出不稳定 ，在热初始和中
出现温
，温速
别达到0.4 °C/s 和3.3 °C/s，原
600
400
200
800
120 240
360 480 600 720
时间/s
图3温度、电压-时间曲线图
是T26温感松动，未完全与镰带贴合。
%2）电芯负极镰带处采样点温度为T25〉T27 〉T29〉T28，其中在同一水平位置处的T27和T29
热失控电 的
， 对 ，其温度亦较为接近;T28处于热失控电芯竖直下方
,
时电池系统上盖移除，
温
较才、o
% 3 ）触发电芯热失控 ， 极喷发火
焰，使得正极镰带处T26温感脱落，造成温度短暂
下降，之后超越负极T25 ，温变速率峰值达到每秒
上
o
%4&触发电芯发生热失控前后5 s 内，T26温
67. 1 C 依次升至 67. 9 C 、69. 7 C 、 472.3 C ,602 °C 和 468.5 h ,T25 温度由 86.0 h
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・9
・
依次升至 86.5 °C 、87. 1 °C 、131.4 °C 、230.2 C 和
311.5 C ，温
、温 速率和持续时 满足标
准中触发电芯热失控的 条件。邻近3节电芯
T27、T28和T29采样温度特征也达到热失控的判
断条件，但温
80 C 。
%5）在 4中，触发电芯热失控 ，温 速
率从
1 C/s?
44 C/s ，同时所在模组电
压下降约0.5 V ,
有回升。 电
T27、T28
和T29的采样温度特征已达到标准中电芯热失控
的
条件，但温变速
有发生 ，可以判
触发电芯热失控时
有新的电
续发生热
失控。而在5 s 、8 s 、15s 后，电芯T29、T28和T27
的温变速
已达到20 C/s 以上， 有电压
，明近电 受到热失控电芯的热扩展
影响，依据 近 触发了 的热失控，此
为典型的热失控扩展现象，扩展时间最短为5 s 。
% 6）在热失控扩展过程中模组电压出现反复
波动，
电内 杂的电 以外,
是
联模组内的完全热失控并非一蹴
而就，未失控电 衡电压 ，对电压 的
电 了补电。 ，整模组完全热失控
或大 电芯已完全热失控时，模组电压才停止
波动并急剧
0。
2.3电芯-模组采样特征分析
电芯-模组层面的采样数据，在触发电
芯热失控后，邻近电芯T27、T28和T29及所在模
组采样点T12、T13的温度-时间曲线如图5所
示。 触发电芯发生热失控，对 时刻模组采样温度在55 C 左右，当4节电
发生热失控时，模组采样温度在80 C 左右，
电 负极
的采样温度，且模组上正负极采样温度差别不大。
模组采样点T12、T13的温变速率及电压-时
6
，正负极的温变速 波动
上升趋势，且出现明显电压降时温变速 新
的增长 ，但温变速率的 3 C/s 2,
，对 以模组温度作 测对象的电池系统，应
合 温 样点，严格设 护上限。
2.4 模组采样特征分析
基于模组层面的采样数据，触发电
在模
组M13及 模组M4、M20、M12、M14的、负极
T-T25 -<-T27
T28T29 T-T12 t —T13
600
500
400300
200100
620622 624 626 628 630 632 634 636 638 640
时间/s
图5电芯及所在模组温度-时间曲线
(s 'p
)、.赞頼絕
si
时间/s
图6模组温变速率及电压-时间曲线
采样温度和模组电压
7和图8 。R
，在热失控扩
，模组M13负极温度
T12大于正极T13，但温差较小；侧边邻近模组M4
负极温度T3大于正极温度T4 ；侧边邻近模组M20 负极温度T19大于正极温度T20，即均出现负极温
大 极温度的现象，这是 模组M4、M20
的负极 M13
极侧；同样
喷发火焰使得
串接的邻近模组温度T14远大于T11。从各模组
电压
,
M13热失控后,
极串接的
M14 发生
到完全热失控,M4较与负极串
接的M12稍晚发生热失控，但压 迅速 :
M12 到 全热失控，说明在热失控扩展过程
中，正极直接串接侧的风险较大，
，在圆柱形
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电池系统中
避免电芯正负极直接串接，尤
是模组正极侧的防护材料 备更高的耐温
防 。
400
35030025020015010050
610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710
时间/s
图7触发电芯周边模组温度-时间曲线
3 结语
本文通过试验的方式，对由圆柱形锂离子电
成的无防护材料电池系统进行热失控扩展分
析，研究结论如下：
% 1) 电 热失控诱发的热扩展过程短暂,
约5后 发第二节电芯热失控,58 s 后整个模组 电压 0 ；
% 2)热失控发生前，触发电芯负极采样温度高
于正极，且负极温变速
稳，在-0. 1 -0.2 h/s
的温变速 内， 确
电芯温度，且
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模组上两极采样温度差异较才、;
% 3)热失控触发后，受 极喷射火焰影响，与
直接串接的模组在热扩展中受影响最大，其次
是正极侧的邻近模组，
，避免圆柱形电
负极直接串接，且模组正极侧的防护材料 】具
备更高的耐温防
。参考文献
[10王宗龄.新能源汽车安全问题值得关注/ EB/OL ]. % 2020-09-29 ) / 2020-10-27 ]. http ：//Tww. chinanews. com/auto/
2020/09 -29/9303576. shtml.
/ 2 0熊会元，郭子庆，杨锋，等•基于动态生热模型的18650
电池温度场建模仿真[J].电源技术，2020，44%2) ：176-179.
/ 3 0 WANG Qingsong ，PIAG Ping ，ZHAO Xuejuan ，et al. Ther-
mcl runaway caused fire and explosion of lithium - ion battere / J 0.
Journal of Power Sources ，2012，208 ：210-224.
/ 4 0 FENG Xuning ，ZHENG Siqi ，REN Dongsheng ，ei al. In
vestigating the thermd runaway mechanisms of lithium - ion bateries based on thermal analysis database / J 0. Applied Energy ，2019，246 :
53-64.
/50张亚军，王贺武，冯旭宁，等.动力锂离子电池热失控燃
烧特性研究进展[O 0 •机械工程学报，2019，55 %20)： 17-27.
/ 6 0刘磊，王芳，高飞，等.
电池模组热失控扩展安全
性的研究/ J 0.电源技术，2019，43 %3) ：450-52.
/7 0 GB 38031 - 2020.电动汽车用动力蓄电池安全要 求/ S 0.北京：中国标准出版社，2020.
/80刘磊，林春景，樊彬，等.电动汽车用动力电池热扩散测 试项目解析/ J 0.电源技术,2020,44%7) ： 1070-1072.
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