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锂离子电池热失控原因分析

钜大LARGE  |  点击量:106次  |  2020年11月27日  

摘要
1、过热触发锂离子电池热失控。导致动力电池过热的原因来自于电池的选型和热设计的不合理,或者外短路导致电池的温度升高、电缆的接头松动等,应该从电池设计和电池管理两个方面来解决;从电池材料设计角度,可以开

1、过热触发锂离子电池热失控。


导致动力锂电池过热的原因来自于电池的选型和热设计的不合理,或者外短路导致电池的温度升高、电缆的接头松动等,应该从电池设计和电池管理两个方面来解决;从电池材料设计角度,可以开发来防止热失控的材料,阻断热失控的反应;从电池管理角度,可以预测不同的温度范围,来含义不同的安全等级,从而进行分级报警。


2、过充电触发锂离子电池热失控。


过充电触发的热失控是指电池管理系统本身对过充电的电路安全功能缺失,导致电池的BMS已经失控却还在充电导致的。针对这类过充电的原因,解决办法首先是查找充电机的故障,这可以通过充电机的完全冗余来解决;其次是看电池管理合不合理,比如说没有监控每一节电池的电压。


随着电池的老化,各个电池之间的一致性会越来越差,这时过充就更容易发生。这要进行整个电池组的均衡,来保持电池组一致性。比如采用先并后串这一最常见电池组组合方法的串联的电池组,在解决单体一致性问题后,最好的情况是拥有与最小容量的单体相同大的容量。有了这个一致性之后,容量回升了,同时也能防止过充。电池之家为了实现一致性必须有一种方法对各个单体进行容量估计。可以根据充电曲线的相似性来进行全体电池组状态的估计。也即是说,只要了解了其中一个单体电池的充电曲线,其他的曲线应该跟它是相似的。经过曲线变化,它们可以近似重合,曲线变化的过程中间的这些差异就很容易计算。根据一个单体可以推算出其他的单体。有了这样的方法,就可以进行上文提到的一致性的均衡,当然这种算法的时间过长,要进行简化。


3、内短路触发锂离子电池热失控。


电池制造杂质、金属颗粒、充放电膨胀的收缩、析锂等都有可能造成内短路。这种内短路是缓慢发生的,时间非常长,而且不了解它什么时候会出现热失控。若进行试验,无法重复验证。目前全世界专家还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程,都在研究当中。


要解决内短路问题,首先要找到产品品质好的电池厂商,选择电池及电池单体容量;其次对内短路进行安全预测,在没有发生热失控之前,要找到有内短路的单体。这意味着必须要找到单体的特点参数,可以先从一致性着手。电池是不一致的,内阻也是不一致的,只要找到中间有变异的单体,就可以将其辨别出来。具体而言锂离子电池厂家认为正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路,方程的形式实际上是相同的,只不过正常单体、微短路的单体的参数发生了变化。可以针对这些参数来进行研究,看其在内短路变化中的一些特点。


其中特点之一就是内短路单体的电势差,比较其内阻跟其他单体的差异。研发人员要利用模型来进行单体的辨识。在测出每个单体的电压、电流后,利用这些数据再结合模型,就可以把每个单体的内阻预估出来。再把单体的参数全部预估出来后,根据参数的变化,便可以判断其一致性是否发生了显著性变化。


4、机械触发锂离子电池热失控。


碰撞是典型的机械触发热失控的一种方式。假如在实验室进行碰撞的一个仿真,最接近的是针刺。通过对三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池进行针刺试验,研究热失控过程,发现磷酸铁锂离子电池在这个热失控过程中没有三元锂离子电池放热表现的那么剧烈。实验表明,不同的材料在针刺的时候会有不同的反应,磷酸铁锂相对安全;解决碰撞触发热失控的办法就是做好电池的安全保护设计。


一般而言,热失控发生之后,会往下传播。比如第一节热失控之后会有传热,开始传播,然后整组像放鞭炮似的一个一个接下来。针对这种传播,可以建立一个模型,包含中间温度升高率、化学能电能的产热、传热对流等。整个热电耦合的模型,可以用量热仪来做一个相关的定量分析。有了传播模型,锂离子电池定制的研发人员可以设计如何来阻断和抑制,这要加隔热层;但是加隔热层并不简单,一方面加厚了体积大,另一方面隔热层跟冷却又是矛盾的。这些都是要解决的问题。总之,在热失控扩展和抑制方面,研发人员要从安全保护设计和电池管理两个方面着手。


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