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動力鋰電池4類熱失控原因分析

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年03月27日  

動力鋰電池安全性問題概括起來叫熱失控,也就是到達一定的溫度之后,就不可控了,溫度直線上升,然后就會燃燒爆炸。而過熱、過充、內短路、碰撞等是引發動力鋰電池熱失控的幾個關鍵因素。


(1)過熱觸發熱失控


導致動力鋰電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設計的不合理,或者外短路導致電池的溫度升高、電纜的接頭松動等,應該從電池設計和電池管理兩個方面來解決。


從電池材料設計角度,可以開發來防止熱失控的材料,阻斷熱失控的反應;從電池管理角度,可以預測不同的溫度范圍,來含義不同的安全等級,從而進行分級報警。


(2)過充電觸發熱失控


今年的一起純電動大巴起火事件原因就在于過充電觸發的熱失控,具體則是電池管理系統本身對過充電的電路安全功能缺失,導致電池的BMS已經失控卻還在充電導致的。


針對這類過充電的原因,解決辦法首先是查找充電機的故障,這可以通過充電機的完全冗余來解決;其次是看電池管理合不合理,比如說沒有監控每一節電池的電壓。


值得注意的是,隨著電池的老化,各個電池之間的一致性會越來越差,這時過充就更容易發生。這要進行整個電池組的均衡,來保持電池組一致性。


比如采用先并后串這一最常見電池組組合方法的串聯的電池組,在解決單體一致性問題后,最好的情況是擁有與最小容量的單體相同大的容量。有了這個一致性之后,容量回升了,同時也能防止過充。


為了實現一致性,必須有一種方法對各個單體進行容量估計。歐陽明高建議,可以根據充電曲線的相似性來進行全體電池組狀態的估計。


也即是說,只要了解了其中一個單體電池的充電曲線,其他的曲線應該跟它是相似的。經過曲線變化,它們可以近似重合,曲線變化的過程中間的這些差異就很容易計算。根據一個單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法,就可以進行上文提到的一致性的均衡,當然這種算法的時間過長,要進行簡化。


(3)內短路觸發熱失控


波音787客機曾因電池爆炸起火。在查找事故原因時,發現電極和隔膜上有金屬物,出現了內短路。雖然專家無法100%確認熱失控是由內短路觸發的,但它是最可能的原因,因為找不到其他原因,且內短路沒辦法浮現。


電池制造雜質、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內短路。這種內短路是緩慢發生的,時間非常長,而且不了解它什么時候會出現熱失控。若進行試驗,無法重復驗證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復由雜質引起的內短路的過程,都在研究當中。


要解決內短路問題,首先要找到產品品質好的電池廠商,選擇電池及電池單體容量;其次對內短路進行安全預測,在沒有發生熱失控之前,要找到有內短路的單體。


這意味著必須要找到單體的特點參數,可以先從一致性著手。電池是不一致的,內阻也是不一致的,只要找到中間有變異的單體,就可以將其辨別出來。


具體而言,正常的一個電池的等效電路和發生了微短路的等效電路,方程的形式實際上是相同的,只不過正常單體、微短路的單體的參數發生了變化。可以針對這些參數來進行研究,看其在內短路變化中的一些特點。


其中特點之一就是內短路單體的電勢差,比較其內阻跟其他單體的差異。歐陽明高提出,研發人員要利用模型來進行單體的辨識。在測出每個單體的電壓、電流后,利用這些數據再結合模型,就可以把每個單體的內阻預估出來。再把單體的參數全部預估出來后,根據參數的變化,便可以判斷其一致性是否發生了顯著性變化。


(4)機械觸發熱失控


碰撞是典型的機械觸發熱失控的一種方式。特斯拉屢次發生起火事故就是這個原因。歐陽明高透露,清華大學跟MIT共同合作對特斯拉在美國的碰撞事故進行過分析。假如在實驗室進行碰撞的一個仿真,最接近的是針刺。


解決碰撞觸發熱失控的辦法就是做好電池的安全保護設計。而這要研發人員先了解熱失控的發生過程。


一般而言,熱失控發生之后,會往下傳播。比如第一節熱失控之后會有傳熱,開始傳播,然后整組像放鞭炮似的一個一個接下來。針對這種傳播,可以建立一個模型,包含中間溫度升高率、化學能電能的產熱、傳熱對流等。整個熱電耦合的模型,可以用量熱儀來做一個相關的定量分析。


有了傳播模型,研發人員可以設計如何來阻斷和抑制,這要加隔熱層。但是,加隔熱層并不簡單,一方面加厚了體積大,另一方面隔熱層跟冷卻又是矛盾的。這些都是要解決的問題。


總之,在熱失控擴展和抑制方面,研發人員要從安全保護設計和電池管理兩個方面著手。


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