成果分享 || 動力電池加速老化安全評價研究

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發布時間：2024-11-20 來源：中國汽車工程學會

為推動電動汽車關鍵共性技術發展，服務于成員單位技術研發需求，自成立以來，聯盟一直持續開展整車及關鍵零部件前沿、共性技術研究工作，形成了大批研究成果，推動了電動汽車產業技術創新和進步。2023聯盟共立項共性技術課題22項，為推動課題交流和成果共享，聯盟將持續發布在研課題研究進展和成果，最大化發揮課題研究價值。

動力電池加速老化安全評價研究

研究目的

動力電池加速老化安全評價研究課題由合肥國軒高科動力能源有限公司厲運杰博士承擔。本課題通過分析整車運行數據，確認新能源車的運行工況，制定對應的標準循環工況。在不改變失效機理的基礎上，通過調節溫度、充放電區間、充放電倍率等加速因子，制定標準工況的加速方法，快速獲取具有代表性的不同老化狀態電池。以國標、行標和企標中安全測試方法為基礎，結合ARC熱失控、等效電阻內短路法等安全測試方法，制定不同老化階段電池安全測試標準，完成不同老化階段電池安全性評估分析，有效評估鋰電池全生命周期的安全特性。

研究進展與階段性成果

一、動力電池的加速老化方案

1、方案制定

系統分析接近EOL階段的新能源整車運行過程中高低溫工況使用比例、充放電倍率和使用SOC區間，提取新能源車運行工況。依據整車運行工況選擇充放電SOC區間為30-80%。高溫下，電芯的老化速度加快，基于企業規定的電池使用上限溫度（Tmax），選擇（Tmax-5）℃作為老化溫度。充放電倍率選取基于電芯仿真分析的最大充放電倍率，并在充放電過程實時監測溫度變化，若循環過程中溫度大于企業規定的上限溫度，則降電流測試。使用溫度、倍率、SOC區間綜合加速因子快速獲取具有代表性的不同老化狀態電池。

圖1 本課題的加速老化方案制定依據

2、加速有效性驗證

分別選取了50只同型號磷酸鐵鋰材料體系電池和50只同型號三元材料體系電池開展加速老化與正常老化對比試驗；通過循環數據表明與正常老化試驗相比，加速老化條件下的電芯容量衰減速率顯著提升，鐵鋰正常老化至90%SOH需要113天，加速老化至90%SOH僅需要43天，可節省61.83%的時間；三元正常老化至95%SOH需要70天，加速老化至95%SOH僅需要40天，可節省42.69%的時間；而且加速老化與正常老化后的DVA曲線基本重合（圖2），表明加速老化衰減機理與正常老化一致，說明本課題中提供的加速老化方案并沒有改變電池老化機理。

圖2 加速老化有效性驗證

表1 試驗樣本量及不同體系老化至相同SOH可節省的時間

二、安全評價方法

1、ARC熱失控

選取磷酸鐵鋰體系和三元體系電池進行ARC熱失控試驗，如圖3、圖4所示，分別為LFP體系和NCM體系的ARC熱失控溫度/電壓—時間變化曲線、溫升速率變化曲線圖。通過對比分析電池熱失控過程中自產熱起始溫度T1（LFP：116.5℃，NCM：65.8℃），熱失控觸發溫度T2（LFP：159.4℃，NCM：142.6℃）和熱失控最高溫度T3（LFP：364.3℃，NCM：369.6℃）來評價電池的安全特性，三元電池在熱失控過程中的自產熱起始溫度和熱失控觸發溫度遠低于鐵鋰電池相應溫度，可通過比較自產熱起始溫度T1，熱失控觸發溫度T2和熱失控最高溫度T3來評價不同老化狀態電池的安全性。

圖3 LFP體系ARC熱失控溫度/電壓--時間變化曲線和熱失控溫度--溫升速率變化曲線

圖4. NCM體系ARC熱失控溫度/電壓--時間變化曲線和熱失控溫度--溫升速率變化曲線

2、內短路

為進一步有效評價老化后電池的安全，開發了新型內短路評測方法，其中短路阻值及電流可控，短路熱源產熱可控。分別進行了30組鐵鋰體系電池和30組三元體系電池的內短路試驗，試驗結果顯示，LFP電池在電流為12A時觸發熱失控，計算所得觸發電池熱失控的臨界單位面積產熱功率為1.310 W/mm2；NCM電池在電流為9A時觸發熱失控，計算所得觸發電池熱失控的臨界單位面積產熱功率為0.737 W/mm2。熱源面積越大，所需觸發電池熱失控的臨界單位面積產熱功率越??；熱源面積相同時，觸發NCM電池熱失控的臨界單位面積產熱功率值小于LFP電池對應的值，可證明LFP電池的安全性更高。如圖5所示，根據內短路試驗方法計算特定面積觸發電池熱失控的臨界熱源單位面積產熱功率，通過該值可以評價不同老化狀態電池的安全性能。

圖5. LFP和NCM體系電池內短路觸發電池熱失控臨界阻值

3、過充電和加熱

GB 31485-2015中過充電測試以1C的電流恒流充電至電壓達到企業技術條件中規定的充電終止電壓1.5倍或充電時間達1h后停止充電，無法直接判斷熱失控溫度等關鍵參數，因此本課題中將過充截止條件調整為過充直至熱失控，試驗電池過充電測試過程中溫度/電壓-時間如圖6(a)所示，其中關鍵參數熱失控觸發溫度為81.9℃，峰值溫度為278.7℃，這兩項指標可以用于判定不同老化狀態電池過充的安全性。

圖6 (a) 過充電測試過程中溫度/電壓-時間，(b) 加熱測試過程中溫度/電壓-時間曲線對比

GB 38031-2020中加熱測試步驟為“溫度箱按照5℃/min的速率由試驗環境溫度升至130 ℃±2 ℃，并保持此溫度30 min后停止加熱。”，根據部分電池試驗結果，130℃加熱30min并未觸發熱失控，為準確判定電池單體的安全性，確認單體的熱失控觸發溫度，本課題中將溫箱加熱測試優化為梯度加熱：130℃±2 ℃-150℃±2 ℃-180℃±2 ℃。試驗電池加熱測試過程中溫度/電壓-時間如圖6(b)所示，其中內短路溫度為148℃，熱失控觸發溫度為193.3℃，峰值溫度為330.7℃，這三項關鍵指標可以用來判定不同老化狀態電池加熱的安全性。

4、外短路和擠壓

研究對比BOL和EOL的電池的安全性能，進行了擠壓（參照GB/T 31485-2015 ）和短路（參照GB/T 38031-2020）測試。

BOL和EOL電池在擠壓過程中電壓沒有變化，電池溫度也無明顯變化。差異點在BOL電池擠壓停止條件是擠壓力先到達200kN，而EOL電池是因為變形量到達30%（圖7），EOL電池因內部氣體有鼓脹（EOL電池厚度比BOL電池厚2.2mm左右），所以EOL電池先擠壓的是電池內氣體，之后才是卷芯。所以相同擠壓力EOL電池變形量更大。

圖7 擠壓測試過程中EOL和BOL擠壓力-時間曲線與擠壓變形量-時間曲線對比

BOL電池短路接通后電壓立刻降至0V，EOL電池立刻降至1.6V左右，且持續200s左右后降至0V；BOL電池短路過程中未開閥，EOL電池正常開閥，但EOL溫升更大(圖8)。因為BOL電池外部短路測試接通4秒后，轉接片熔斷；與BOL電池相比，EOL電池外部短路后，未能熔斷轉接片，放電時間明顯延長，熱量累計使得負極柱溫度更高。

圖8 外短路測試過程中EOL和BOL電壓-時間、溫度-時間曲線對比

下一步工作計劃

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