陈冠华+满电状态下锂离子电池模块机械冲击响应.doc

2016中国汽车安全技术学术会议满电状态下锂离子电池模块的机械冲击响应陈冠华1，夏勇1，周青1，石向南2，史方圆21. 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京，100084，2. 重庆长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院，重庆，401120摘 要：为了建立锂离子电池的失效预测模型，提高电动车用储能设备的安全性，本文针对一种含有软包单体的商用电池模块，进行了极端冲击载荷下的机械滥用试验。试验使用100% SOC的电池模块，在落锤试验机上完成。试验矩阵由冲击速度、冲击质量、模块受载方向与冲击头形状四个影响因素组合生成。本文分析了该电池模块在不同加载工况下的力、电、热响应，并对比讨论了不同工况下电池的变形与损伤模式，以及发生短路与热失控的可能性。关键词：锂离子电池模块；冲击载荷；机械响应；短路；热失控Responses of 100% SOC Lithium-ion Battery Modules to Impact LoadingGuanhua Chen1, Yong Xia1, Qing Zhou1, Xiangnan Shi2, Fangyuan Shi21. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing, 100084, 2. Global R&D Center of Changan Automobile Co LTD, Chongqing, 401120Abstract: To develop failure prediction models and improve crash safety designs for energy storage system of electric vehicles, a type of battery module consisting of pouch cells for commercial use is tested under impact loading, the extreme loading type of mechanical abuse. With a test matrix designed for the modules with 100% SOC, a series of impact tests are carried out on a drop tower with various combinations of loading speed, drop mass, orientation of the module, and shape of the impactor. The mechanical, electrical and thermal responses of the modules under various loading conditions are analyzed. Influence of the loading conditions on the deformation and damage modes and the likelihood of short circuit occurrence and thermal runaway are discussed.Keywords: Lithium-ion battery module; Impact loading; Mechanical response; Short circuit; Thermal runaway1引言能量密度高，可充放性好的锂离子电池被广泛用作电动汽车的储能装置，这些储能装置通常由电池单体组集成的电池模块，搭配冷却与电池管理系统构成。锂离子电池在冲击载荷下的安全性成为人们关注的热点。最近几年里特斯拉Model S、雪佛兰沃蓝达与比亚迪e6等车型均发生过碰撞起火事故。目前已有研究者开展了针对不同电池层级的研究，以探寻其在挤压与冲击工况下的失效机理，并据此开发仿真预测模型。对于电池单体，Wierzbicki1,2与Greve3等人对圆柱与软包电池分别进行了不同加载与边界条件下的准静态试验，揭示了内短路与机械响应间的关系。Wierzbicki4,5等人还提出了均质化的电池卷芯分析模型，并建立了电池单体的有限元模型。Greve3向电池模型中引入了摩尔库伦断裂准则，并用不同加载条件下的仿真进行了验证。Pan6等人为软包电池单体建立了代表性体积单元模型，并用此分析了面内压缩下电池内部的局部变形模式。此外，其他研究者如Maleki7,8与Lamb9等分别进行了特定工况下的单体试验，如挤压、侵入与弯曲，来获得机械响应并分析不同因素对单体内短路的影响。对于电池模块的研究，主要集中于电池的热电行为上，关于机械损伤的研究工作较少。Xia10等人在关于电动汽车底部碰撞防护的论文中，模拟了碰撞中电池包的局部挤压，分析了其中圆柱单体的变形破坏过程与不同金属材料制成的防护底板对电池失效的影响。获得不同冲击工况下锂离子电池模块的机械响应以及随之而来的电热反应，不但有助于验证电池失效预测模型，同时也为电池包及其保护装置的结构设计提供重要参考。因此，本文针对一种含有软包电池单体的电池模块，设计了一系列满电状态下的冲击试验，获得了电池在不同工况下的力电热行为并对其机理与效应进行了分析。2试验2.1试验所用电池试验所用电池模块内含4块电池组。每个电池组有两块软包锂离子电池单体相叠构成，中间夹有散热用的铝板，镶嵌于四块塑料结构组成的框架中。四个电池组两两并联后再串联，同样堆叠排列，两侧由塑料外壳覆盖，电池组间以及电池组合外壳间，铺有薄泡沫塑料层。电池单体负极材料为LiNixMnyCozO2，额定电压3.7 V，额定电量20 Ah，其组成的模块额定电压7.4 V，额定电量 80 Ah，长（X向）270 mm，宽（Y向）160 mm，厚（Z向）73 mm，模块质量4.9 kg。该电池模块安装在实际车辆中时，Z轴向上，所以X向与Y向的冲击试验实际上反应了电池在车辆前撞与侧撞中的表现，Z向的试验则代表了车辆的底部碰撞（如路面异物冲击）。试验中模块处于满电量状态（100% SOC）。2.2试验设备与加载工况本文中的试验均在落锤试验机上完成，该试验机可以从最大7 m的高度释放质量为20-500 kg的冲击锤头。为了避免电池试验中可能发生的起火冒烟，落锤试验机底部还专门安装了烟气收集、过滤与排放系统，如图1a所示。图1b给出了电池模块在试验中的安装与固定方式，三个方向试验中的电池模块均靠其自身的安装螺栓固定，以尽可能接近其在实车中的安装方式。电池的支撑平板下方安装有本研究团队自行设计的载荷传感器，通过惠斯通电桥测得的贴于传感器侧壁的应变片的电压变化，获取试验中电池模块所受的载荷。通过超动态应变仪采得的来自载荷传感器的电压信号，与电池模块本身的电压一起，由高速采集卡记录。试验中的采用率为1 MHz。冲击头的位移（即电池模块的侵入/挤压量）与速度的测量，均采用了非接触测量技术。一台高速摄像机以10,000 fps的帧频拍摄照片，并用数字图像相关法从冲击头上散斑的照片中，提取出相应数据。表1 给出了本文所进行的试验列表，限于试验样品数量与冲击试验的准备成本，只进行了影响因素对比分析所需的最少数量的试验，而并非全因子试验。工况1至3对比了不同初速度与冲击头质量的影响（图1c）；工况3至5对比了不同冲击方向的影响；工况4与6对比了锐冲击头与钝冲击头的不同作用效果（图1d）；工况5与7同样对比了不同形状冲击头的影响（图1e）。表1 电池模块冲击试验列表冲击头形状冲击方向冲击头质量（kg）冲击速度（m s-1）工况1圆柱形X（长度方向）81.610工况2圆柱形X（长度方向）81.67工况3圆柱形X（长度方向）40.010工况4圆柱形Y（宽度方向）40.010工况5圆柱形Z（厚度方向）40.010工况6楔形Y（宽度方向）40.010工况7球形Z（厚度方向）40.010图1 电池模块冲击试验装置：(a) 落锤试验机及烟气过滤与排放系统，(b) 电池模块固定方式；(c) X向冲击试验；(d) 不同冲击头下的Y向冲击试验；(e) 不同冲击头下的Z向冲击试验3结果限于试验用电池样本数量，每种工况下的试验重复两次，对于具有复杂结构的电池模块来说，试验结果表现出了较好的重复性。在数据处理时，对载荷曲线只保留了冲击头接触限位块（为防止位移与载荷过大，保护载荷传感器）前的部分。3.1冲击头质量与冲击速度的影响（工况1-3）图2a展示了工况1至3中的载荷、位移与电压的时间曲线，图2b展示了载荷与能量耗散的侵入位移曲线。从两图中均可看出，试验结果在三个工况下表现出了相近的规律。在初始阶段（侵入量约为0-40 mm），框架结构的初始屈曲导致了载荷曲线上的第一峰。在接下来的阶段（侵入量约为40-160 mm）里，载荷曲线在一个较低的范围内波动，这个阶段里框架结构逐渐发生屈曲与破碎，同时电池单体也在以屈曲与折叠的模式变形。当侵入量大于160 mm后，载荷曲线显著上升，这时电池单体已经在冲击头作用下被压实。高速摄像机同样记录下了电池模块的变形与破碎过程。图2c显示了工况1中各阶段的代表时刻下，电池模块的变形与破碎模式。试验后的电池模块如图2d所示。如图2a所示，对于达到压实阶段所经历的时间，三种工况下冲击头初动能最大时（工况1）这个时间越短。而对具有相同初动能的工况2与工况3，初速度较大者（工况3）更早地达到了压实阶段。而从图2b中可以看出，具有相同初始速度的工况1与工况3有着相近的载荷第一峰，而初速度较小的工况2第一峰较低。从图2a中还可以看出，在达到65%的变形量之前，电压均未发生明显减小。同时三种工况下均未观察到热失控的发生。图2 工况1至3的试验结果：(a) 力电响应的时间曲线，(b) 随侵入位移变化的机械响应曲线，(c) 工况1中电池模块的变形与破裂过程，(d) 试验后的电池模块3.2不同冲击方向下的电池响应（工况3-5）图3a展示了不同冲击方向下的载荷、位移与电压的时间曲线，图3b展示了载荷与能量耗散对侵入位移的曲线，并采用相对侵入量（即侵入位移与电池模块在该方向上的尺寸之比）作为曲线的横轴。可以看出，Z向试验中，堆叠起的单体能够对侵入产生更明显的抵挡，单体的变形、挤压与破裂也可以吸收更多的能量。相比之下，另外两个方向下的试验中，对侵入的抵抗与冲击能量的吸收均十分有限。虽然Z向试验的相对变形量较小，但却均发生了明显的短路与热失控现象：电压骤降，起火冒烟，如图3c所示。尽管没有物体直接侵入到电池内部，但面外加载的冲击能量使电池单体严重破裂，正负电极穿过破坏的隔膜并发生接触，产生内短路。短路造成的巨大电流迅速生热，堆叠在一起的电池单体又无法及时散热，骤升的温度最终引燃了电池模块中的可燃组分。而另外两个方向的加载均未产生明显的短路或者热失控。图3 工况3至5的试验结果：(a) 力电响应的时间曲线，(b) 随侵入位移变化的机械响应曲线，(c) 电池模块在试验中起火冒烟，(d) 试验后的电池模块3.3不同冲击头形状下的电池响应图4a与图4b显示了不同形状冲击头下Y向冲击的试验结果，锐冲击头（工况6）下的载荷水平整体较低，初始斜率也比较小。图4c与图4d中的高速摄像机拍下的照片显示，工况4与工况6中的电池模块表现出了完全不同的失效模式。图4e与图4f中的试验后的电池照片更加清晰明了地显示出变形与失效模式的差异。在锐冲击头（工况6）的作用下，电压降发生较早并持续了很长时间。被切开的电极暴露出来，更容易引发内短路，但由于试验方向的作用，有分开趋势的单体不会保持电极相接触，故电压下降趋势较缓，也无热失控发生。相比之下，钝冲击头（工况4）在电池进入压实阶段前并未引发电压降低。图4 工况4与6的试验结果：(a) 力电响应的时间曲线，(b) 随侵入位移变化的机械响应曲线，(c,d) 不同形状冲击头下电池模块的变形破裂过程，(e,f) 不同形状冲击头下试验后的电池模块图5a与图5b显示了不同形状冲击头下Z向冲击的试验结果。载荷在经历了一个缓慢上升的阶段（消除模块中的层间结构间隙）后均达到了很高的水平。随着上层结构的破裂与下层结构的相互挤压，载荷曲线上下波动。电压曲线的变化表明两种工况下均较早地发生了内短路。图5c与图5d展示了电池模块的变形与破坏过程。球形冲击头（工况7）比圆柱形冲击头（工况5）更容易侵入电池内部，所以其载荷水平较低一些。两种工况下均发生了严重的热失控，如图5e与图5f所示。图5 工况5与7的试验结果：(a) 力电响应的时间曲线，(b) 随侵入位移变化的机械响应曲线，(c,d) 不同形状冲击头下电池模块的变形破裂过程，(e,f) 不同形状冲击头下试验后的电池模块4讨论4.1边界条件的改进对于X向与Y向的冲击，虽然本文的结果表明其发生热失控的可能性很小，但因其周边没有其他部件的约束，使得电池单体在试验中破碎，碎片散开甚至飞溅，已使电池模块偏离了实车碰撞中的破坏模式。囿于实际情况下电池组本身与周围零部件的结构，模块四周并非试验中那样的自由边界，实车环境中，在这两个方向的冲击下，电池模块热失控的风险就很可能增大。然而，本文的试验也为电池模块的碰撞安全性设计提出了一个思路：当电池经受严重的挤压变形时，可以通过电池模组外壳与零部件的破碎与散开吸收冲击能量并为热耗散提供足够的空间。4.2数据采集方案的提高限于现有高速采集卡的通道数量，本文试验中仅测量了电池模块的整体电压。如果增加采集通道，则可以在试验中分别监测各个单体的电压变化，并据此得到不同试验工况下，电池模块中各单体发生短路的顺序。5结论本文建立了电池模块的冲击试验平台，评估了某商用电池模块在不同冲击工况下的机械响应与试验后热失控的可能性，并通过对比分析试验结果，得出了如下结论：(1) 在X向或Y向的冲击下，一旦电池模块框架结构发生破裂，电池模块将失去大部分的承载能力。随着剩余框架结构的逐步失效，电池单体以屈曲或弯曲的模式变形。试验中，电池模块的层状结构的压实所需的时间，由冲击头初始动能与初始速度共同决定，但载荷曲线的第一峰主要受初速度的影响。(2) Z向冲击下，电池模块可以承受更大的载荷，吸收更多的能量。随着框架结构的断裂与电池单体的压实，载荷峰值相继出现。(3) 尽管有短路发生，X向与Y向冲击下的试验中均未发生热失控，这可能是因为框架碎裂后电池单体相互散开，有利于热量散布到周围的环境中。相比之下，Z向的冲击则更为危险，随着电池在试验中逐渐压实，单体严重失效，产生的热量不能有效散出，最终导致了热失控的产生，起火冒烟。(4) 在X向与Y向的试验中，不同形状的冲击头导致了电池模块不同的破坏模式。尖锐的冲击头更早地引发了短路，但是由于充足的能量耗散时间与空间，并未产生热失控。致谢感谢中美清洁汽车联盟与国家自然科学基金（U1564205）对本文的支持。部分技术工作亦由国际科技合作项目（2014DFG71590）、江苏省科技厅（BZ2014030）与汽车安全与节能国家重点实验室（ZZ2014-022）资助。参考文献1 Sahraei E, Meier J, Wierzbicki T. Characterizing and modeling mechanical properties and onset of short circuit for three types of lithium-ion pouch cells. Journal of Power Sources, 2014;247(2):503-516.2 Sahraei E, Kahn M, Meier J, et al. Modelling of cracks developed in lithium-ion cells under mechanical loading. RSC Advances, 2015;5(98):80369-80380.3 Greve L, Fehrenbach C. Mechanical testing and macro-mechanical finite element simulation of the deformation, fracture, and short circuit initiation of cylindrical Lithium ion battery cells. Journal of Power Sources, 2012;214(4):377-385.4 Sahraei E, Hill R, Wierzbicki T. Calibration and finite element simulation of pouch lithium-ion batteries for mechanical integrity. Journal of Power Sources, 2012;201(3):307-321.5 Wierzbicki T, Sahraei E. Homogenized mechanical properties for the jellyroll of cylindrical Lithium-ion cells