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磷酸铁锂动力电池过充安全特性试验研究
摘 要：对方形磷酸铁锂动力电池进行过充热失控试验，总结出磷酸铁锂电池过充热失控的四个阶段，为电池系统过充热失控的预测与防控提供参考。
关键词：动力电池；磷酸铁锂；过充热失控；预测与防控
电动汽车自燃、起火、爆炸的事故时有发生［１－４］ ，绝大部分是由电池故障造成的。引发电动汽车电池安全事故的主要因素包括过充、过放、机械损伤、电池老化、电池过温等，其中电池过充是发生热失控事故的高风险因素［２］ 。本文研究在新能源汽车上广泛应用磷酸铁锂电池因过充诱发热失控的外特征与内部反应机理之间的关系。
１ 过充试验
１.１ 试验准备
试验样品为新的方形铝壳磷酸铁锂单体电池，正极材料为磷酸铁锂，负极材料为石墨。电池能量密度为 １６４.８ Ｗｈ ／ ｋｇ，额定容量为 ２０６ Ａｈ。正常工作电压范围为 ２. ５～３.６５ Ｖ；充电和放电工作温度范围分别为 ０～５５ ℃ 、－２０～５５ ℃ 。
如图 １ 所示，在单体电池的正表面中心①、侧面中心②、底面中心③、负极④、正极⑤、防爆阀⑥位置布置温度传感器，记录试验过程的温度。试验过程中采集电池的电压。
为保证电池的过充试验数据与实际情况接近，单体电池的正表面和背表面用夹具固定，防止过充时内部产气引起电池的结构变化。夹具表面采用包裹隔热棉的方式进行隔热，减少热量散失，模拟电池包的实际环境［４］。
１.２ 试验方法及结果
为研究电池过充过程中电压、温度和直流内阻（ＤＣＲ）的变化情况，进行以下试验［５－７］ ，方法及结果如下：
１） 单体电芯定容测试。室温下，采用 ２０６ Ａ 的电流恒流放电至 ２. ５ Ｖ；然后采用 ２０６ Ａ 的电流充电至 ３.６５ Ｖ，之后转 ３.６５ Ｖ 恒压充电至充电电流小于１０. ３ Ａ 时停止，搁置 １ ｈ；采用 ２０６ Ａ 的电流恒流放电至 ２.５ Ｖ，记录电池的放电容量；重复以上测试步骤 ３次。试验结果：单体电池容量分别为 ２０６.５ Ａｈ、２０６.７Ａｈ、２０７. １ Ａｈ，符合标称容量要求。
２） 过充热失控测试。室温下，单体电池初始ＳＯＣ 为 ０，在 １ Ｃ 电流下进行恒流过充，采用充电 ６ｍｉｎ、静置 １０ ｓ 交替的方式进行，循环 １２ 次，直至４ ５６４ ｓ 时电池的温度和电压均急剧上升，电池内部开始发生热失控，充电结束时间为 ４ ６８０ ｓ。记录试验全过程的电池表面温度如图 ２ 所示，热失控后，负极最高温度为 ３４０ ℃ ，正极最高温度为 ２７２. ６ ℃ ，防暴阀最高温度为 ８４.４ ℃ ，正表面最高温度为 ２７８. ６℃ ，侧面最高温度为 ２２２.６ ℃ ，底部最高温度为 １８８.５℃ ；电压随试验时间变化的情况如图 ３ 所示，过充电压最高达到 ３２ Ｖ。
３） 为进一步了解过充试验过程中单体电池内部
的变化规律，用单体电池直流内阻来表征过充试验过程中单体电池内部的变化。电池直流内阻测试方法参考 ＧＢ ／ Ｔ ３１４６７.２—２０１５ 中 ７.２ 条［８］ ，试验结果如图 ４ 所 示， 直 流 内 阻 变 化 具 有 规 律 性：ＳＯＣ 低 于１００％，电池的直流内阻变化不明显；ＳＯＣ 高于 １００％，直流内阻直线增大，ＳＯＣ 在 １１７％时直流内阻达到最大值 １
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