摘要

本文利用BAC-1000A大型電池絕熱量熱儀對(duì)3800Ah小型磷酸鐵鋰電池模組的絕熱溫升行為進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，填補(bǔ)了儲(chǔ)能電池模組絕熱溫升數(shù)據(jù)的行業(yè)空白，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱安全設(shè)計(jì)與預(yù)警機(jī)制提供了科學(xué)依據(jù)。

前言

隨著電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模的快速擴(kuò)張，儲(chǔ)能用鋰電池技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，其應(yīng)用場(chǎng)景也日趨復(fù)雜。為規(guī)范行業(yè)發(fā)展，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2023年12月28日發(fā)布了新版GB/T 36276-2023《電力儲(chǔ)能用鋰離子電池》，并于2024年7月1日正式實(shí)施。

新國(guó)標(biāo)在熱安全性能試驗(yàn)中僅規(guī)定了單體電池的絕熱溫升實(shí)驗(yàn)要求，未涉及模組及以上規(guī)格的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。但在儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景中，電池多以模組形式運(yùn)行，因此模組的絕熱溫升數(shù)據(jù)對(duì)儲(chǔ)能安全也至關(guān)重要。由于大容量模組在絕熱溫升實(shí)驗(yàn)過程中可能引發(fā)泄壓、起火或爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室造成巨大的安全威脅。而傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備難以滿足相關(guān)安全需求。

本文利用BAC-1000A對(duì)3800Ah磷酸鐵鋰電池模組進(jìn)行絕熱溫升測(cè)試，獲得該模組絕熱溫升溫度曲線，并對(duì)臺(tái)階溫升速率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，記錄實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象。相關(guān)結(jié)果有助于儲(chǔ)能行業(yè)相關(guān)人員明確磷酸鐵鋰儲(chǔ)能模組的熱安全特性，設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)安全預(yù)警和優(yōu)化電池安全設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)部分

1.樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)樣品：3800Ah磷酸鐵鋰電池模組*2(#01和#02)、6061鋁合金*1(電池樣品同尺寸)。

2.實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)儀器：仰儀科技BAC-1000A大型電池絕熱量熱儀

工作模式：絕熱溫升模式

環(huán)境溫度：10℃

數(shù)據(jù)采集間隔：1s(溫差基線模式)&0.01min(絕熱溫升模式)

圖1 BAC-1000A大型電池絕熱量熱儀

3.實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 溫差基線模式實(shí)驗(yàn)

Step1：打開大型電池絕熱量熱儀爐蓋，將貼好輔助加熱絲的標(biāo)準(zhǔn)鋁塊固定于量熱儀腔體內(nèi)，并利用耐高溫膠帶將熱電偶貼合于鋁塊側(cè)面中心點(diǎn)；

Step2：將輔助加熱絲通過爐壁電極柱連接到恒流源上；

Step3：關(guān)閉爐蓋，擰緊爐蓋全部螺栓；

Step4：在操作軟件上切換至“實(shí)驗(yàn)參數(shù)”界面，選擇“溫差基線”模式，如表1所示設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)；

Step5：在操作軟件上切換至“實(shí)驗(yàn)界面”，點(diǎn)擊“開始”按鈕啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

表1 溫差基線實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

3.2絕熱溫升模式實(shí)驗(yàn)

Step1：打開大型電池絕熱量熱儀爐蓋，將電池樣品固定于量熱儀腔體內(nèi)，并利用耐高溫膠帶將熱電偶貼合于模組大面中心點(diǎn)；

Step2：關(guān)閉爐蓋，擰緊螺栓；

圖2 #01電池絕熱溫升測(cè)試裝樣示意圖

Step3：在操作軟件上切換到“實(shí)驗(yàn)參數(shù)”界面，選擇“絕熱溫升”模式，如表2-3所示設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)；

Step4：在“實(shí)驗(yàn)界面”點(diǎn)擊“開始”按鈕，開始實(shí)驗(yàn)。

表2 絕熱溫升實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 #01電池絕熱溫升特性試驗(yàn)(a)電池升溫曲線和(b)溫升速率-溫度曲線

圖4 #02電池絕熱溫升特性試驗(yàn)(a)電池升溫曲線和(b)溫升速率-溫度曲線

表3 電池單體絕熱溫升特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

從圖3和圖4可以看出，兩個(gè)模組的臺(tái)階溫升速率總體隨著模組溫度的升高而升高，其規(guī)律與電池單體規(guī)律一致，表明BAC-1000A大型電池絕熱量熱儀可精準(zhǔn)測(cè)定小型模組的絕熱溫升行為。

當(dāng)溫度達(dá)到130℃時(shí)，兩個(gè)模組的臺(tái)階溫升速率均達(dá)到0.02℃/min（表3），此時(shí)判定模組中單體電池的自放熱開始；因此依據(jù)該參數(shù)設(shè)定該款模組的一級(jí)安全報(bào)警溫度為130℃，能對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)做出有效的預(yù)警。

從實(shí)驗(yàn)后圖5可以看出，該款模組在實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)生起火、爆炸；也沒有在電池單體泄壓閥以外的地方發(fā)生破裂，說明該模組較為安全。

圖5 絕熱溫升實(shí)驗(yàn)后的#01電池

總結(jié)

根據(jù)分析與實(shí)測(cè)結(jié)果，利用BAC-1000A大型電池絕熱量熱儀進(jìn)行GB/T 36276-2023《電力儲(chǔ)能用鋰離子電池》絕熱溫升特性試驗(yàn)?zāi)軌蚩茖W(xué)、準(zhǔn)確地測(cè)定大容量小型儲(chǔ)能模組在絕熱環(huán)境中的自放熱溫升速率，為電力儲(chǔ)能行業(yè)設(shè)計(jì)安全預(yù)警系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池的熱安全與熱管理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。