磷酸铁锂电池外短路损伤特性及熔断防护研究_周兴振.pdf

第51 卷 第12 期 电力系统保护与控制电力系统保护与控制 Vol.51 No.12 2023年6月16日 Power System Protection and Control Jun.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.236009 磷酸铁锂电池外短路损伤特性及熔断防护研究 周兴振，孙丙香，张 智，张维戈，黄勤河，刘怡宁(北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京 100044)摘要：电池外短路损伤特性研究对于高可靠性熔断防护设计具有重要意义。基于自主开发的最小时间为 0.1 ms、最大过流为 5000 A 的可控外短路测试平台，以磷酸铁锂圆柱型锂离子电池为研究对象，进行了不同电流与时间组合的外短路测试。研究证明磷酸铁锂电池外短路存在破裂泄漏、内部熔断以及累积损伤 3 种损伤模式。电池外短路安全边界、熔断边界和性能损伤边界均具有反时限特征，且前两个边界在电流有效值 30C 处存在交点。电流小于交点值容易触及安全边界发生破裂泄漏事故，安全风险增加；电流大于交点值优先触及熔断边界发生熔断保护，防护可靠性提高。对于未发生熔断或破裂的电池，存在多次外短路冲击累积失效的风险。基于研究结论，充分考虑电池外短路损伤特性，能够保证电池系统在发生外短路时不产生过度损伤，提高系统安全性。关键词：锂离子电池；外短路；熔断防护；损伤特性 External short-circuit damage characteristics and fusion protection for lithium-iron phosphate batteries ZHOU Xingzhen,SUN Bingxiang,ZHANG Zhi,ZHANG Weige,HUANG Qinhe,LIU Yining(National Active Distribution Network Technology Research Center(NANTEC),Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:The study of battery external short-circuit(ESC)damage characteristics is of great significance for the design of high-reliability fusing protection.Based on the self-developed controllable ESC test platform with a minimum time of 0.1 ms and a maximum overcurrent of 5000 A,taking lithium-iron phosphate cylindrical lithium-ion batteries as the research object,ESC tests with different current and time combinations are carried out.The study proves that there are three damage modes in the ESC of lithium-iron phosphate batteries:rupture leakage,internal fusing and cumulative damage.The ESC safety,fusing and performance damage boundaries all have inverse time characteristics,and the first two boundaries have an intersection point at the RMS current value of 30C.If the current is less than the intersection value,it is easy to touch the safety boundary to cause rupture and leakage accidents,increasing the safety risk;if the current is greater than the intersection value,it is preferred to touch the fuse boundary and fuse protection will occur,and the protection reliability is improved.For batteries that have not fused or ruptured,there is a risk of cumulative failure from multiple ESC impacts.Based on the findings,full consideration of the ESC damage characteristics of a battery can ensure that the battery system does not produce excessive damage in the case of ESC and thereby improve system safety.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.52177206).Key words:lithium-ion battery;external short circuit;fuse protection;damage characteristics 0 引言 随着锂离子电池技术的发展和节能环保政策的 基金项目：国家自然科学基金项目资助(52177206)；国家重点研发计划项目资助(2021YFB2501900)落实，锂离子电池已被广泛应用于电动汽车、储能电站、新能源轨道交通等领域1-4，然而电池系统安全事故随着锂离子电池的推广应用而不断增加，电池安全已成为制约锂离子电池发展的关键因素5-9。对锂离子电池而言，导致安全事故风险的因素包括过充电、过放电、过热、碰撞挤压、内短路、外短周兴振，等 磷酸铁锂电池外短路损伤特性及熔断防护研究 -79-路(external short-circuit,ESC)等多种滥用场景引发的热失控10-11。不同滥用场景触发的热失控具有不同的能量释放特征及演化过程，需要采取不同防护措施：过充电、过放电、过热防护主要依靠电池管理系统(battery management system,BMS)对电池电压、温度等参数进行实时监控，并在超出保护阈值时及时切断充放电回路以保护电池系统；碰撞挤压防护主要依靠电池包/系统外部有效的机械防护；内短路由于具有偶发性强、难以预测的特点，其防护措施需要依赖电池系统数据提取特征参数，分析和判断内短路电池位置并进行有效隔离；外短路由于具有能量释放速度快、短路电流大的特点，一旦发生难以通过系统主动介入切断短路回路，一般需要依靠电气回路中熔断器及时熔断进行有效的外短路保护。针对不同滥用场景下的防护需求，国内外学者进行了大量的研究：针对过充电、过放电、过温防护，通过热失控试验及建模，分析电池在热失控过程中的电压及温度演化规律和关键节点，获得电池在不同滥用场景下的电压及温度保护阈值12-14；针对机械防护，通过模拟碰撞挤压等场景下对壳体及电池的挤压程度，判断电池的受损及风险状态15-17；针对内短路防护，通过实验及仿真分析电池从轻微内短路到严重内短路演化过程中电压、荷电状态(state of charge,SOC)、温度等多个参数的识别特征，提升内短路识别的准确性和时效性等18-21。对于电池外短路，目前研究主要集中在外短路发生后外部参数变化过程的分析，包括不同温度、不同荷电状态下外短路过程中电压、电流、温度的变化22-24，外短路热电耦合仿真分析25-27，外短路引发热失控后的风险分析28-29以及小电流外短路下的故障诊断识别等30-31。然而，以上研究均集中在外短路发生后电池的本征参数变化分析，未将电池外短路响应过程与熔断防护有效结合起来，对于电池外短路的熔断防护与电池损伤特性的匹配性设计研究至今未见报道。本文选择磷酸铁锂圆柱型锂离子电池(以下简称磷酸铁锂电池)为研究对象，利用团队自主设计开发的电池可控外短路试验平台，对电池进行不同电流与时间组合的外短路实验，将电池系统中可能发生的外短路及熔断防护过程进行有效复现，同时进一步分析了锂离子电池发生外短路后的潜在损伤及熔断防护设计需求。1 电池外短路实验 为研究锂离子电池在外短路场景下的损伤特性及熔断防护特征，选择带有熔断保护设计的圆柱型锂离子电池进行外短路实验，并自主开发了短路电流和时间双重可控的外短路测试平台，对电池单体及系统层级的外短路故障进行有效复现。1.1 实验对象 测试对象正极材料为磷酸铁锂，负极材料为石墨。表 1 介绍了该电池的关键参数。表 1 实验电池参数 Table 1 Parameters of test battery 参数 电池规格 正极材料 磷酸铁锂 负极材料 石墨 标称容量 20 Ah 工作电压 2.53.65 V 尺寸 34 mm 184.2 mm 根据电池厂家提供的信息，该磷酸铁锂电池正极汇流位置设计有过流薄弱环节，可在电池发生外短路等大电流冲击场景时，熔断以保护电池，其工作原理与熔断器类似。1.2 实验平台 目前国内外研究单位及检测机构使用的电池外短路测试装置普遍通过真空继电器控制，采用机械吸合的方式改变回路通断状态，因此只能进行秒级时间尺度的外短路实验。在外短路实验中若产生较大的短路电流，继电器的分断能力减弱，将进一步降低对短路时间的控制水平。而在实际电池系统中，无论单体层级、模组层级或者系统层级，其熔断器或熔断保护环节的熔断时间一般在毫秒尺度。因此，普通外短路装置无法实现对电池系统外短路熔断过程的复现，同时无法设计实验以分析毫秒尺度外短路电流冲击下的电池损伤特征。为了能够有效分析电池外短路过程中损伤特性以及熔断防护方法，设计并搭建了多通道可控外短路测试平台，具体如图 1 所示。该实验平台基于MOSFET 多支路并联拓扑，利用开关器件的高频开关特性实现对外短路时间的精确控制，可以完成0.1 ms 到秒级任意时间外短路试验。测试平台总计有 50 个并联通道，每个通道过流能力为 100 A，最大过流能力为 5000 A，多通道之间能够并联同步控制，通过控制通道导通数量实现对外短路电流大小的调节。基于该平台，可以对不同电流和不同时间尺度下的外短路故障进行有效复现。-80-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 图 1 多通道可控外短路测试平台及拓扑结构 Fig.1 Multi-channel controlled ESC test bench and topology 1.3 实验方案 由前人研究结果可知，锂离子电池在不同 SOC状态下进行外短路实验时，表现出不同的电流响应过程，其中短路峰值电流一般随 SOC 的升高而增大22,32。为保证测试结果的可对比性，所有电池在每次进行外短路实验之前均通过充放电设备充电至100%SOC，充电步骤如下：1)以 1C 电流恒流充电至电池充电截止电压，转为恒压充电；2)恒压充电，当充电电流降至 0.05C 时停止充电，电池荷电状态调整为 100%。电池充电结束后通过可控外短路平台进行不同电流等级和不同短路时间下的外短路实验，外短路实验结构如图 2 所示。为保证测试安全，控制监控区和测试区进行安全隔离，通过控制监控电脑实现对短路测试平台的控制以及数据和视频的远程采集。需要注意的是，受单体电压限制，单体电池外短路电流与系统外短路电流