浅析动力电池模组过充问题

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自1990年锂离子二次电池成功研制并商业化以来，锂离子电池由于具有电压高、循环寿命长、无记忆效应及无污染等优点被广泛应用。近年来, 市场对锂离子电池需求量与日俱增，并对锂离子电池的安全性提出了更高要求⑵O过充是影响锂离子电池安全的重要因素之一，之前的过充研究大多集中在电芯和电池包层面曰瑚，模组作为电芯与电池包的中间层级，在电池包的电池管理系统(battery management system,简称BMS)失效的情况下，模组过充的安全保护就成为保证电池包安全的一道有力屏障。模组由于没有高压器件保护，且其结构相比电芯也更加复杂，因此模组的过充保护相比电芯和电池包有很大差别，下面就模组过充保护的必要性及如何实现过充保护进行分析。

1. 模组过充保护的必要性

电池模组是介于电芯与电池包的中间层级，目前车用动力电池包大部分釆用标准电模组设计。电芯层级可以通过电芯内部结构设计、材料配方调整实现过充保护；电池包层级可以通过BMS控制高压开关器件实现过充保护，但是模组一般都没有高压控制单元，其结构也比单个电芯复杂。当BMS失效，高压开关无法实现有效断开的情况下，过充保护重任就转移到了模组层级，所以模组如何实现有效的过充保护尤为重要。

2. 锂离子电池电芯过充保护机理分析

锂离子电池过充时，电压随极化增大而迅速上升，会引起正极活性物质结构变化及电解液分解，产生大量气体，放出大量热，使电池温度和内压急剧增加，存在爆炸、燃烧等隐患⑹，不同形状锂离子电池过充保护设计不太一样，下文以目前动力电池市场上最常见的方形电池为例进行说明。方形电池内部一般都设计了过充安全装置（overcharge safety device,简称OCSD①），电芯内部连接示意图见图1。电芯正极与OCSD连接。当电芯内部压力达到一定程度时，OCSD翻转与负极连接，这时电池正负极短路，电池内部保险丝熔断，电池极组与外部断开连接，充电电流将不再通过电芯内部极组，见图2。

3. 模组过充保护机理分析

模组没有高压开关器件的控制，虽然其最终的保护也是依靠电芯内部的保护，但由于其结构与单电芯差异较大，导致其过充保护影响因素更多，下文以1P5S和2P5S模组为例来说明模组的过充保护机理。

图1 正常OCSD状态

图2 OCSD翻转后状态

1P5S模组结构如图3, 5个电芯串联在一起，充电电流方向见下面箭头方向。过充测试时第一只电芯达到过充保护，OCSD翻转，这只电芯相当于在回路中形成通路（原理见上文电芯过充保护分析）。其它电芯以此类推，直到最后一只电芯OCSD 翻转，整个充电回路形成一个短路状态。但实际应用过程中，由于电芯个体差异，过充时其内部产气量及OCSD翻转时间都不一样，电芯过充时产热会加速其周边电芯的产气和升温，可能会导致个别电芯泄压阀打开或温度过高（泄压阀打开后，电芯内部的锂会与空气中的水分接触起火）,最终导致电池起火、爆炸。所以1P5S模组过充保护的关键前提是电芯一致性要好，5只电芯OCSD翻转时间应同时或控制在尽可能短的时间内。

图3 1P5S模组

2P5S模组结构如图4,充电电流方向见图4箭头方向。

图4 2P5S模组

2P5S模组过充保护与1P5S相比，影响因素更加复杂。下文分析了两只电芯并联后的过充保护机理。图5是正常的2P电池电气连接图，图6是2P中一只电芯因过充后OCSD翻转后的电气连接图，电芯AOCSD翻转，其相当于导线，把电芯B短路。这时电芯B在承受过充产生的热量的同时，还在承受着短路产生的热量，如果电芯B内部的保险丝不能马上熔断或者其内部OCSD不能马上翻转，电芯B极有可能会因为过热发生起火、爆炸；多并结构模组过充除了串联回路的过充压力，同时并联回路也存在着短路压力，因此多串多并模组相比多串单并模组过充保护难度更大。

图5 正常2P电池电气连接图

图6 电池A OCSD翻转后电气连接图

4. 模组过充保护测试

为了验证模组结构差异对过充测试的影响，参照GBT31485—2015[7]进行过充试验，对比测试结果及数据如下文所述。

4.1 正常结构1P5S模组过充试验

正常结构1P5S模组进行过充试验，5只电芯 OCSD都翻转（翻转后电压变为0V）,但翻转时间前后相差42 s （图7）,在这个过程中有电芯的泄压阀被打开。在静置50 min左右时电池温度急剧升高，然后开始燃烧（图8）。

4.2 对泄压阀进行过特殊处理的1P5S模组过充试验

考虑到泄压阀打开对过充保护的影响，对试验样品的防爆阀进行特殊处理，使其在过充压力下无法打开。试验过程中5只电芯OCSD先后翻转，前后相差30s （图9）。由于泄压阀被特殊处理过，泄压阀未被打开，静置50 min左右，电池温度未见明显升高（图10）,电池未出现着火、爆炸等现象，由此证明保证泄压阀不被打开对过充保护的重要作用。