锂离子动力电池挤压测试怎么做？

    本文以某型锂离子动力电池为研究对象，对电芯进行不同方向的挤压试验。通过采集挤压压力、温度和电压数据，找出电芯抗挤压能力弱的方向。然后，通过对不同加载条件的分析，进一步确定电池的挤压损伤容限。其次，分析了模块在不同方向的抗挤压能力。

1.动力电池热失控：

    以锂离子动力电池为例，其主要工作机理涉及正负极材料的脱锂和嵌锂，以及锂离子在电解液（质）和隔膜材料中的传输和扩散。动力电池的大部分安全问题都与电池的材料成分直接相关。由于机械滥用，如电池过热、过充、放电、撞击、挤压等，电池内部材料之间会发生化学反应，导致发热失控，终引发火灾、爆炸事故。

    发生汽车碰撞事故后，电池结构在受到冲击和挤压后会发生变形，导致内部组件材料失效，包括隔膜破裂或正负极材料破裂，从而导致内部短路；内部短路产生大量焦耳热，导致单体电池内部材料分解。当温度在80℃和120℃之间时，固体电解质界面（SEI）首先分解。

    当SEI膜分解反应进行到一定程度时，会发生一系列后续化学反应。锂离子电池的热失控按温度升高可分为以下五个反应阶段：SEI膜分解反应、负极与电解液反应、正极活性物质分解反应、粘附反应和电解液分解反应。电池内部的发热反应也会产生大量气体，结构内部的压力会迅速升高并聚集；当压力达到结构的承载极限时，可能会发生火灾和爆炸。当单个电池出现故障时，也会迅速波及相邻电池，导致电池系统失效，

    当动力电池发生短路时，电压开始下降，温度开始升高，因此温度和电压可以作为动力电池故障的判断依据。考虑到内部短路后的温度只能在一定时间内传递到电池表面，且受环境温度影响较大，与温度相比，电压是能够较快速准确判断电池短路故障的参数。动力电池。这类电池的挤压破坏临界值可以通过温度的升高和电压下降的开始来确定。

    图1为测试中被挤压电芯热失控过程中采集到的温度和电压数据，0~36s内，电芯被挤压到一定程度，电压仍稳定在4.14V，电池温度为26.2℃；37-38s，电压下降到2mV，电池温度升高到30.5℃；当负载达到50s时，测得的电压始终为2mV，温度升至131℃。此时观察到电池冒出大量烟雾；在50~51s的时间里，电池温度从131℃上升到614℃，然后发生起火爆炸。

图2为测试中单体电池挤压热失控时冒烟、起火、爆炸的现象。

2.动力电池挤压试验

动力电池组一般布置在车辆地板下。发生前碰撞或追尾碰撞时，车辆前后有足够的能量吸收空间，地板结构变形小，动力电池组不会因挤压而损坏；但是，当车辆受到侧面碰撞时，横向吸能空间较小，碰撞力会通过门槛传递到底梁、中央通道等区域。动力电池组容易被挤压损坏，从而造成内部模组和单体的损坏。

2.1 测试准备

圆柱形和方形电池通常用作动力电池。本论文的研究对象为方形电池，主要由镍钴锰正极和石墨负极化学材料体系组成。单体电池尺寸：XYZ=W x L x H=27 mm x 148 mm x 94 mm，额定电压：3.7 V，额定容量：37 Ah。单体电池沿单体电池的宽度方向（X方向）以叠加的形式排列在模组中。本文模组挤压方向的定义与单体方向一致，电池单体和模组如图3所示。挤压过程中的位移、载荷、电压、温度数据和视频数据是通过挤压用压头对电池和组件进行测试，并对测试结果进行了分析。

2.2细胞压碎试验结果 

对电芯进行这三个方向的XYZ挤压工况试验，得到三个方向的刚度对比如图4所示。

电芯的X方向刚度大，在相同变形下能承受更大的压碎力。Y和Z方向相对较弱。神芯一般在模块中沿X方向串联排列。车辆发生侧面碰撞时，电芯主要在X、Y方向受挤压变形。

为找到电芯压扁情况下外壳破损开裂的临界点，在电芯Y方向进行压扁试验。每组试验挤压3次，挤压速度为0.2mm/s。

在组测试中，单体不断加载，直到电池失去对热量的控制，电池的荷电状态（SOC）为；

第二组测试是找出电池壳开裂的临界点。为便于观察，电池同时分段放电和加载3mm，每段保持200秒；

第三组试验连续加载到壳开裂临界值后静置，分析是否存在热失控风险。组测试岩心被连续加载直到发生挤压破坏，如图 5 所示。

从试验对比分析可以看出，电芯压碎失效模式存在不确定性。

在挤压试验中，电芯的失效模式为外壳被挤压破损，无起火和爆炸；外壳被挤压而没有损坏，但冒烟或起火爆炸；外壳被压碎损坏，引起火灾和爆炸。

图 6 和图 7 显示了电芯壳在第二组和第三组试验后的挤压变形。从图6可以看出，电芯负极开裂，正极没有；

当挤压位移为12 mm时，负侧开裂，而正侧不开裂。通过第二组试验分析，初步判定外壳在电芯压坏情况下损坏开裂

临界值为 12 毫米。从图7可以看出，当实测压溃位移为12 mm时，3个试验岩心均未发生壳层断裂，也未发生起火和爆炸。测试后，被测铁芯在静置24小时后表现正常。

本组试验验证了该型电芯的压碎破坏临界值可确定为12mm。通过三组试验分析发现，电芯外壳损坏开裂失效模式的临界点为12mm，低于极限值，外壳开裂风险小，且不会发生火灾和爆炸；

若超过限值，则芯壳是否破损或开裂存在一定不确定性，仍存在较高的安全风险；起火爆炸引起的电芯失效不确定性大，失效模式不一致。因此可以确定电芯的损伤容限为12mm，试验中压碎工况较为稳定。但是，在实际应用中电池被挤压的条件是不同的。考虑到预留一定的安全余量，确定该类电芯的损伤容限为10mm。

2.3模组挤压试验结果

模块应分别进行XY方向的挤压试验，加载速度为 0.2 mm/s。测试时，模块处于满电状态，即模块SOC为。X 和 Y 方向对应于车辆侧面碰撞压碎性能。在两个挤压方向重复挤压试验3次，以保证试验的有效性。

图 8 显示了模块在不同方向的挤压状态。

图 9 显示了模块的 X 和 Y 方向挤压过程。相比之下，模组不同方向的挤压导致热失控的过程是：电池模组在初始阶段发生变形，随着挤压载荷的增加，电池内部损伤加剧，出现冒烟或火花，进而引发火灾和爆炸。

图10为模组在挤压过程中X、Y方向的温度和电压变化曲线。以M2（X crush）和M4（Y crush）模块为例进行分析。

图10 x方向，在0~400s期间，模块因挤压而逐渐变形，模块温度和电压保持稳定；当负载达到400s时，电压开始下降到0V，温度从26℃上升到156℃，此时电池模组开始冒烟；随着挤压力的进一步增加，温度上升到500℃，然后电池模组起火爆炸。

图10 y方向，模块电压和温度在0~300s内比较稳定。当温度从300s上升到550℃时，模块起火爆炸，电压降到0V。通过对温度和电压曲线的对比分析，还发现热失控更容易发生在模块的Y方向压扁处。

   根据试验采集的位移载荷曲线、电压和温度曲线，分析了电池模组在XY 2个方向失效时的压溃距离。X方向挤压，M1、M2、M3号模块失效时挤压位移分别为40mm、42mm、30mm；在 Y 方向上挤出。当 M4、M5 和 M6 模块失效时，挤压位移分别为 21 mm、15 mm 和 24 mm。通过比较可以发现，与X方向相比，模块的Y方向被挤压后更容易出现故障。

商通检测还提供电池的相关测试认证服务：

运输和电池运输的 UN 38.3 测试：

1.热测试

2.高空模拟

3.冲击试验

4.影响

5.耐振性

6.外部短路

7.过充

8.强制放电

根据 IEC 62133-1 安全要求对用于便携式应用的便携式密封二次电池（以及由其制成的电池）进行的测试 – 第 1 部分：镍系统

根据 IEC 62133-2 安全要求对用于便携式应用的便携式密封二次电池（以及由其制成的电池）进行的测试 – 第 2 部分：锂系统

IEC 60086 原电池测试

根据 IEC 62619 对工业用电池进行测试

UL 1642 锂电池测试

IEC 61960-3棱柱形和圆柱形锂二次电池和由其制成的电池的测试

根据客户具体要求进行测试

CB 认证（例如根据 IEC 62133）