分析不同测试条件对动力电池过充结果的影响

最近特斯拉发生的自燃事故又让人们对电动车动力电池的安全性产生了担忧。电动车一旦发生燃烧进行失效分析寻找起火原因是极为困难的，加之很多企业对起火事故遮遮掩掩、秘而不宣，想了解到事故的起因几乎不太可能。尽管电动车的安全问题涉及到多个方面且动力电池仅是重要零部件之一，确保和提升动力电池单体安全性的相关工作是决不能落下的，因为电池单体的安全性是根本，完全寄希望于系统层次防护是不现实的。

过充在所有安全测试中算是最为严酷的测试项之一，因为过充过程不仅外部向电池输入了能量，电池内部“波涛汹涌”的副反应也在不断产热，最终导致“屈打成招”的电池热失控场面极为惨烈。尽管有BMS的防护，但在系统端动力电池发生过充的风险仍是存在的，因此对电池过充行为进行细致研究也是电池安全工程师必不可少的工作内容之一。清华大学欧阳明高院士组是国内较早进行动力电池安全研究的课题组之一，并且同电池企业和车企合作很多，在电池安全研究方面硕果累累。

最近，欧阳院士组对NCM333-LMO混合阴极软包电池在不同条件下的过充行为进行了对比研究，结果显示绝热、电池无约束状态下充电电流倍率对电池过充结果影响不大，而是否使用夹具、过充过程气体对外释放和散热确对电池过充行为有显著影响。成果以ComparisonoftheOverchargeBehaviorsofLithium-ionBatteriesUnderDifferentTestConditions为题发表在EnergyProcedia上。

图文浅析：
 

图1.NCM333-LMO混合阴极软包电池在三种不同约束条件下进行过充测试示意图。

作者使用的电池为NCM333-LMO混合阴极软包电池，负极为常规的石墨，隔膜为PE基材带陶瓷涂覆。电池单体容量为20Ah，测试时将两个软包电池2P进行过充。过充测试主要在三种不同约束条件下进行，具体如图1所示：ConfigurationA，电池不带任何夹具，即在无任何约束状态进行；ConfigurationB，电池带夹具约束；ConfigurationC，电池不仅带夹具约束，还在顶端剪了两个口可随时排除过充产生的气体。K型感温线一根布置在2P电池的中间，一根布置在电池的外表面。

表1.七组过充测试实验条件。
 

根据如上所述的三种不同的电池约束条件，过充测试共进行了七组，具体如表1所示。实验设计上同时考虑了充电倍率、电池约束条件和散热环境的影响。过充测试过程还每隔10%SOC对电池的内阻进行了测量。电池热失控参数上重点关注了热失控发生时电池的SOC(记为SOCTR)及对应的电池温度TTR。（注：图1已明确标注ConfigurationA为不带夹具约束，而表1第6组实验确是ConfigurationA带夹具约束，感觉有些矛盾！）

表2.七组过充测试结果汇总对比。
 

一．绝热、无约束状态下充电倍率对过充结果的影响
 

图2.电池在绝热、无约束状态下过充充电倍率对测试结果的影响。

如图2所示，在不同电流倍率(1/3C、1/2C和1C)过充条件下，在140%SOC之前电池的电压、内阻和温度差异都很小且有着几乎相同的变化趋势。唯一的区别在于1C电流较大导致检测到的电压值略高，电池的失效SOC略有提前，电池温度速率相对较高。值得一提的是，不同电流倍率下电池发生热失控时电池温度都在约113℃附近，由此表明充电倍率对过充结果影响较小。（注：需要注意的是以上结果是在电池处于绝热、无约束状态下得到的，其他测试条件下是否适用有待验证。）

二．绝热状态下不同约束条件对过充结果的影响
 

图3.电池在绝热状态下三种不同约束条件对过充结果的影响。

如图3所示，在绝热状态下过充，无约束(ConfigurationA)电池最早发生热失控(167%SOC、113.1℃)，电池带夹具约束(ConfigurationB)的其次(170.5%SOC、115.8℃)，电池带夹具约束且有剪口放气(ConfigurationC)的最后发生热失控(173.8%SOC、140.9℃)。以上结果表明夹具约束和及时释放过充过程产生的气体可以一定程度延缓电池发生热失控。（注：国标测试中并未明确规定测试时电池的约束状态，因此很多企业也都带夹具约束进行测试）。过充过程电池内部由于副反应会产生大量的可燃气体导致电池内部压力增大，在无约束状态下电池内部结构容易发生变形导致内短路，因此夹具约束能一定程度延缓电池发生热失控。

三．散热条件过充结果的影响

图4.散热条件过充结果的影响。

如图4所示，仅分析带夹具约束且有剪口放气(ConfigurationC)电池，可以明显观察到该电池非绝热条件下过充热失控(185.4%SOC，141.5℃)晚于绝热条件下的热失控(173.8%SOC，140.9℃)，由此表明过充过程若能及时释放积累的热量有利于延缓电池发生热失控。

小结：以上部分结论动力电池企业之前从大量实验中已有掌握，但该研究的可贵之处在于做的较为系统，企业中较少有人做如此系统的研究。略显遗憾的该论文研究做的还不够深入，实验设计也未考虑所有不同条件且略有瑕疵，但瑕不掩瑜，good！