电动汽车用LiFeP04锂离子电池安全性分析.pdf

电池工业 电动汽车用L i F e P 0 4 锂离子电池安全性分析 王治华 殷承良 上海交通大学机械与动力工程学院 上海2 0 0 2 4 0 摘要 根据新颁布的 电动汽车用锂离子蓄电池 汽车行业标准介绍了关于对锂离子电池的主要安全 性能指标 结合国内外L i F e P o 锂离子动力电池的发展现状 分析了L i F e P o 锂离子电池的耐高温 耐充电性能和短路 滥用实验情况 认为 L i F e P o 锂离子动力电池具有比较好的安全性能 该电池 的热管理系统可以作为故障诊断和安全隐患排查的关键手段 结合对电池端电压检测 S o C 计算来 防止电池的过充 过放电 关键词 F e P o 锂离子电池 电动汽车 滥用试验 安全性 中图分类号 T M 9 1 2 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 7 9 2 3 2 0 0 8 0 3 0 1 6 9 一0 4 S a f e t VD e r f o r m a n c ea n a l V s i so fL i F e P 0 4L i i o nb a t t e r i e s3 a I e t VD e n o r m a n C ea n a I V S l S0 IL l t Ie r U 4l J l 1 0 nD a t t e r l e S f b re l e c t r i cv e h i c l e s W A N GZ h i h u a Y I NC h e n 驴l i a n g 舶o Z 旷 知c 枷疵s P o 雠rE 画册e 矗昭肌吼g k i 洳 昭 劫e 巧咄鼬彻g 地i2 D D 2 铂C 肠叫 A b s t r a c t T h ek e yp e r f o n n a n c ea n a l y s i sw a si n t r o d u c e da c c o r d i n gt on e w l yp u b l i s h e dV e h i c l ei n d u s t I y s t a n d a r di nC h i n a t h a ti s F e n i cp h o s p h a t el i t h i u m i o np o w e rb a t t e r yf o re l e c t r i cV e h i c l e C o m b i n e d w i t ht h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ff b r T i cp h o s p h a t el i t h i u m i o np o w e rb a t t e r ya th o m ea n da b r o a d t h e6 r e r e s i s t a n tp e o r m a n c e d i s c h a r g er e s i s t a n tp e d o 珊a n c ea n dt e s t i n gr e s u l t so fs h o r t c i r c u i ta n da b u s ew e r e a n a l y z e d n l ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eL iF e P 0 4p o w e rb a t t e r yh a dg o o ds a 6 e t yp r o p e n y 1 1 h et h e 瑚a l m a n a g e m e n ts y s t e mc o u I db eak e ym e t h o dt od i a g n o s e t h ef a u I t sa n dc I e a ru pt h es a f b t yh i d d e n t r o u b l e s a n di tc o u l da V o i dt h eo v e r c h a r g i n ga n do V e r d i s c h a r g i n gb yc a l c u l a t i n gt h et e 姗i n a lV o l t a g e s a n dS O Cv a l u e s K e yw o r d s F e P 0 4p o w e rb a t t e r y e l e c t H cV e h i c l e a b u s et e s t s a f e t y 电动汽车用动力电池是指能够为电动汽车提供 驱动能源的牵引电池 按照其在动力输出时的性能 差异 又可以简单划分为能量型和功率型 能量型动力电池通常具有比较大的容量 能够 为用电设备提供比较持久的能源供给 常常用于纯 收稿日期 2 0 0 7 一1 0 一1 8 作者简介 I 治牛 1 9 7 0 一 男 河南省人 1 程师 B i o g r a p h y x7 A N GZ h i h u a 1 9 7 0 一 r n a l e e n g j n e e r 电动汽车 中度或重度混合动力电动汽车 此种电池 总能量在整车的能源配置中占据较大的比例 常常 超过1 0k W 这样不仅可以部分吸收车辆制动回馈 的能量 而且可以提高车辆纯电动模式运行时的续 驶里程 降低污染物的总排放 功率型动力电池的容量通常比较小 可以为用 电设备提供瞬问大电流供电 主要用于电动工具 轻 度混合动力电动汽车 在电动汽车的应用中主要用 万方数据 皇堕兰兰兰兰丝 兰兰垒 里兰 竺竺兰 圭全兰坌堑堕绝 兰塑兰缝 于吸收制动回馈的能量 同时为车辆起动 加速过程 提供瞬间的额外补充能量 1 汽车应用对动力电池的安全要求 安全性能是对电动汽车用动力电池的基本要 求 电池的安全性能与其容量成反比 容量越大 安 全方面隐患就会越多 在使用过程中电流流过电池 正负极柱 电解液时会产生巨大的电应力 热应力 化学应力等应力冲击 大电流流过电池内部时容易 产生极化效应 造成电池电压虚高 充电效率降低 有效放电容量降低 同时发热增加 热效应增强 电 池内部热量的瞬间急剧增加或使用环境温度的骤然 变化 可能会引起电池正负极柱 隔膜 电解液材料 的性能退化 疏松脱落 在充放电过程中 伴随电池 的活性物质锂离子的嵌入和脱嵌过程 电池正负极 柱 电解液 隔膜材料的理化性能会发生不可逆转的 变化 甚至高温时电池隔膜材料容易分解 绝缘性能 变差 评估和测试L i F e P O 锂离子动力电池安全性能 的主要测试项目包括过放电 过充电 短路 跌落 振 动冲击 加热 挤压 针刺等 按照Q C 肿4 3 2 0 0 6 标 准要求 在过放电 跌落试验时应满足不爆炸 不起 火 不漏液的要求 在充电 短路 加热 挤压 针刺测 试时应满足不爆炸 不起火的要求1 1 I 文章分析了 L i F c P O 锂离子电池的耐高温 耐过充电性能和短 路 滥用试验情况 认为其安全性能优于以常规氧化 物为正极材料的锂离子电池 2 F e P 0 动力电池的安全性能 2 1 耐高温性能测试 相对于以L i C 0 0 2 和L i M n 2 0 4 为正极材料的锂离 子电池 L i F e P 0 锂离子动力电池的电化学性能有了 显著的改进 其正常充放电循环次数可达到15 0 0 次 以上 高倍率充 放电能力均得到提高 正极材料的 微观品格结构更稳定 化学健能更大 在高温下更稳 定 所以 F e P O 锂离子动力电池具有良好的高温安 全性能 在高倍率充 放电时极柱的温度甚至升高到 1 7 0 的情况下 仍然能够保持安全使用 图l 图2 图3 分别是某型号 F e P 0 锂离子动力电池以不同 电流放电时正极柱 负极柱和电池表面的温度特性 曲线 在相同的工作条件下 正极柱温度超过1 7 0 比负极柱区域大约高5 0 比电池表面高大约 1 0 0 影响电池各个部分温度的因素主要有正 负 极柱的材料配方与配比 正负极耳的引出线方式 电 解液的理化性能指标 以及整个电池外壳的热阻等 1 6 5 1 4 5 1 2 5 1 0 5 8 5 6 5 4 5 2 5 图1某型号L F e P O 锂离子动力电池以不同电流放电时 正极柱温度特性 F i g 1T e m p e r a t u r ep r o p e n yo ft h ep o s i t i v ee l e c t r o d e o fL i F e P 0 4L i i o np o w e rb a n e r y 1 3 0 1 1 5 1 0 0 8 5 馨7 0 5 5 4 0 2 5 3 83 6 3 43 23 0 2 82 62 42 22 O 叭7 图2 某型号L F e P O 锂离子动力电池以不同电流放电时 负极柱温度特性 F i g 2T e m p e r a t u r ep r o p e r t yo ft h en e g a t i V ee I e c t r o d e o fL i F e P 0 4L i i o np o w e rb a t t e r y 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 图3 某型号L F e P O 锂离子动力电池以不同电流放电时 表面温度特 眭 F i g 3S u r f a c e t e m p e r a t u r ep r o p e r t yo fL 沮e P 0 4 L i i o np o w e rb a t t e r y 过充电 加热测试 短路测试时L i F e P 0 锂离子 动力电池主要外在表现特征为发热 温度急剧升高 特别是短路测试时候 如果电池内部压力过大 电池 壳体就容易膨胀变形 瞬间超过卸荷阀的设定值 甚 万方数据 电池工业 第1 3 卷第3 期鬈琵磅蹴 岩锄互施么嘭2 0 0 8 年6 月 至电解液或者分解的隔膜材料会从阀的出口溢出 如果此时电池内部压力继续升高 超过电池外壳的 压力极限 整个电池就有可能破裂 2 2 过充电性能测试 图4 是电池的过充电测试曲线阁 环境温度约 2 3 试验电池是型号为1 8 6 5 0 的电芯 用泡沫聚苯 乙烯塑料作电池外壳 充电电流设置为恒流3 6A 恒压5V 模式 电池的端电压达到5 V 后继续以浮充 的模式充电 d m i n a O i d e1 8 6 5 0 二f 一 千 一斗一斗0 l iH o 州 一 l L l li 二鼓 V l t 哮 H 川 三 强一 H l 柙l 娜4 b藩每蜷 弗每毒鲁舞每每 8 7 6 毫 5 4 3 2 l O O2 04 06 08 0I O O1 2 0 m i n b L i F e P O I1 8 6 5 0 图4U F e P O 锂离子电池与氧化物锂离子电池 过充电测试曲线 F i g 4o v e r c h a r g ec u r v e sf b rL i F e P 0 4L i i o nb a 仕e r ya n d o i d eL i i o nb a n e r v 图4 a 是氧化物锂离子电池的过充电曲线 当 电池的电压达到4 2V 时 也就是充电4 0 5 0m i n 时 一般认为其S O C S t a t eo fC h a r g e 已经为1 0 0 电池的端电压超过5V 之后 以5V 的浮充电压来 对电池连续充电 大约过充O 5h 后安全保护装置启 动 但是电池的温度急剧升高到7 5 0 以上 图4 b 是 F e P O 锂离子电池在充满电 S O C l 0 0 的情况 下 以恒流3 6A 充电 电池的端电压在平台区 时间 2 0m i n 内 几乎保持不变 之后迅速升高到5V 进入 浮充充电模式 充电电流迅速减小 电池的热交换达 到平衡 温度平稳下降 维持在4 0 区间 说明 F e P O 锂离子电池具有优秀的耐过充性能 只要设 置正确的C C C V 充电控制模式 即先以恒流充电 再以恒压充电 为了提高充电效率 在恒流充电阶段 根据电池所能够接受的最佳充电效率 以电流梯度 递减的方式恒流充电 最后恒压浮充补充电 2 3 外部短路测试 图5 是小容量 12 0 0m A h 电池外部短路测试特 性曲线 电路瞬间最大电流达到3 8C 之后的6 0s 时间内电流倍率在3 0C 以上 由于温度是渐变量 而测试电池的总功率比较小 在1 0 0s 后电池最高平 衡温度值为1 3 0 对于能量型大容量电池短路后 温度会上升更高 所以大容量电池在安全性方面不 如小容量电池 不仅需要提高外壳防护材料的强度 而且容量增大后体积增加 内部热量与外部环境的 热交换更不容易 一一 一 4 4 t 一 二r 1 1 1 m 霉 7 鼍 C u n n t 器 1 2 0 磬馨 嚣 2 0 O 如 图5 某公司小容量L F e P O 锂离子电池短路测试曲线 F i g 5 S h o r t c i r c l l i tt e s to fL i F e P o L i i o nb a n e r y 2 4 滥用试验 除了过充电短路这些与温度密切相关的安全性 能指标 L i F e P O 锂离子电池在被挤压和针刺时的温 度也出现显著的变化 图6 图7 分别为国外某公司L i F e P 0 锂离子电 池与金属氧化物锂离子 如L i C 0 0 z N i O L i M n O 等 电池用圆棒挤压和针刺对比测试曲线 两种电池 的测试条件相同 图6 a 和7 a 是氧化物锂离子电 池的滥用试验曲线 图6 b 和7 b 是L i F e P 0 锂离 子电池滥用测试曲线1 2 J 图6 是圆棒挤压测试 类似于Q C 厂r7 4 3 标准里 面6 3 8 5 条款要求的考核项目 在挤压下 电池内部 发生短路 原因可能是电极在外力的作用下移位 导 致隔膜破裂 或者电池的正负极柱短接 金属氧化物 诟可而五丁 一 r i 丽 V O I 13N O 3 I J u n 2 0 0 8 o 8 7 6 5 4 3 2 1 万方数据 电池工业王治毕 等 电动汽车用L i F e P 0 4 锂离子电池安全性分析吕老 j 览鳓 勿易锄 艮j i i 赫i 妇赫品 i 矗磊西 r H 毫 弋鼍 一lJ 一C e e 仲 一 l 鼍 啪 1 L m V o t 值非 C e 礓h m p 1 嘲 k 图6L i F e P O 锂离子电池与氧化物锂离子电池圆棒挤压测试曲线 F i g 6R o 岫dc n 劬t e s tc u r v f o rL i F e P qL o nh a t t e r ya n do i d eL i i o nb a n e r y 一 一 I H 孛 争 中 鞭 争 鼍 匿黼 一疆一一 一专 l 毒善 褂 铡二 矧 O481 21 62 0 O48 1 21 62 0 m i n f m i n a O x i d e18650 b LiFeP04 1 8 6 5 0 图7L F e P 0 锂离子电池与氧化物锂离子电池针刺测试曲线 F i g 7N a i lp e nt e s tc I I r V e sf o rL i F e P 0 4L i i o na n d o x i d eL i i o nb a t t e r y 锂离子电池在短路瞬间电压跌落为零 瞬间释放出 大量热 温度急速升高到6 0 0 电池内部活性成分 或隔膜在高温下融化 分解 电池闪出大量火花并由 安全阀释放出浓烟 也就是通常所说的电池发生了 爆炸 F e P O 锂离子电池温度曲线比较平缓 电池 温度最高升到1 1 0 左右 说明电池的安全性能极 好 也没有发生爆炸燃烧 图7 是电池的针刺性能测试曲线 3 个电池的 1 8 6 5 0 电芯并列固定从左到右编号 针刺2 号电池 图7 a 显示 3 条幅度最高的曲线代表3 个并列固 定的电池电芯 因为热传递的缘故温度都超过5 5 0 被刺电池电压迅速衰减到O 伏 图7 b 曲线代表 L i F e P O 锂离子电池的针刺动态过程