戴姆勒電池使用研究：不同傳感器測試動力鋰離子電池熱失控

熱失控是鋰離子動力鋰離子電池危害最筆直的表現形式，也是動力鋰離子電池公司和各大車企投入巨大研究和防范的重點。動力鋰離子電池屬于含能體，在某些極端條件下熱失控很難避免，電池發生熱失控后防護重心應轉移到要怎么樣更好地保護乘客的生命健康。EVS-GTR和《電動車用動力蓄電池安全要求》報批稿均強調了熱事件預警信號的緊要性，以保證乘客有足夠的時間逃生。德國戴姆勒公司SaschaKoch(第一作者)等分別開展了三組試驗研究不同傳感器在電池發生熱失控后的測試表現，研究思路和結果非常具有指揮意義，詳見FastThermalRunawayDetectionforLithium-IonCellsinLargeScaleTractionBatteries.Batteries,2018,4,16.

表1.試驗所用的7中傳感器信息及用途。

試驗共用到7中傳感器，如表1所示，測試范圍涉及電壓、氣體、煙霧、、蠕變位移、溫度、氣壓和力。其中氣體傳感器S2為SnO2半導體，緊要測試CH4、C3H8和CO。煙霧傳感器S3是自制的，通過紅外光的反射和LED燈實現測試。

表2.三組試驗詳盡信息。試驗中所有電池處于100%SOC，V2和V3探測在60℃進行。

試驗共進行了三組，如表2所示，分別是V1、V2和V3。其中V1使用的是20AhNMC單電芯軟包電池，通過加熱板加熱觸發電池熱失控。V2使用的65AhNMC軟包電池2P的單模組，通過針刺觸發熱失控。V3使用的58AhNMC電池2P雙模組，同樣通過針刺觸發熱失控。

圖1.三組試驗傳感器布置示意圖：(a)V1組；(b)V2組；(c)V3組。圖中標記1為Al制密閉裝置，標記2為觸發熱失控的加熱板或針，標記3為填充塊，標記4為防爆閥，標記5為壓力傳感器，標記6為氣體傳感器，標記7為溫度傳感器，標記8為煙霧傳感器，標記9為位移傳感器，標記10為傳感器區域，標記11為模組。

三組試驗傳感器布置如圖1所示。Al密閉結構的體積并未給出，只告知防爆閥作用壓力為30kPa≤Pburst≤70kPa，V3探測安排有2個防爆閥。其中V1和V3是在密閉條件下進行，V2是在開口條件下進行，所有V2組并未使用壓力傳感器。

圖2.V1組加熱觸發熱失控探測結果。其中“visibleventing”虛線表示電池開閥過程在外部可以觀察到。

圖2所示為V1組探測結果。不難看出氣體傳感器S2、煙霧傳感器S3、壓力傳感器S6和位移傳感器S4應和較快，其中氣體傳感器S2反應最快，煙霧傳感器S3緊隨其后。值得留意的是，相較氣體信號，電壓顯著降低幾乎滯后了20s。從溫度上看，最大溫升達到250℃，最高溫度接近300℃。

圖3.V2組針刺觸發熱失控結果，其中磚紅色虛線代表電池被完全刺穿時刻。

如圖3所示，V2組試驗中同樣是氣體傳感器S2、煙霧傳感器S3和位移傳感器S4應和最快。同V1組相比，電壓應和滯后時間晚了接近40s，作者認為電池型號不同或觸發熱失控方式不同所致。最大溫升約150℃，最高溫度接近200℃。

圖4.V3針刺觸發熱失控結果，其中磚紅色虛線代表電池被完全刺穿時刻。

如圖4所示，V3組試驗中應和最快的是氣體傳感器S2(出現異常)、煙霧傳感器S3、位移傳感器S4和壓力傳感器S6，結果同V1組、V2組一致。電壓應和滯后了20多秒，但電壓在90s附近和115s附近出現一定程度波動。溫度曲線共出現3次峰值，后兩次峰值為模組內其他電池發生排氣所致，最高溫升為300℃。

表3.傳感器結果比較，“+”表示性能良好，“0”表示性能一般，“-”表示性能較差。

綜合以上三組探測結果，本研究所用的測試電池熱失控的7種傳感器表現如表3所示。直觀上看沒有任何傳感器三種優勢兼得，均是有得有失。但簡單從熱失控預警角度出發，要求傳感器的測試速度越快越好，氣體傳感器S2、壓力傳感器S6和力傳感器S7均有很好的應和速度。從以上比較不難看出，常測試的電壓和溫度均不太適合用于電池熱失控預警。熱失控預警往往使用多種傳感器，可綜合考慮系統設計和傳感器的優缺點選用兩三種傳感器進行布置。

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