充電機(jī)充電鋰離子電池安全測(cè)試-擠壓、針刺、短路
2017-8-16 11:12:25??????點(diǎn)擊：
充電機(jī)充電鋰離子電池的安全性是我們需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題，特別是在乘用車(chē)等關(guān)系到我們生命財(cái)產(chǎn)安全的領(lǐng)域，安全更是重中之重。為了確保充電機(jī)充電鋰離子電池的安全性，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種充電機(jī)充電蓄電池安全性測(cè)試保證充電機(jī)充電鋰離子電池在濫用的情況下的安全性，因此如何通過(guò)充電機(jī)充電電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保充電機(jī)充電鋰離子電池能夠通過(guò)充電機(jī)充電蓄電池安全性測(cè)試，從而保證在使用中的安全性，就是需要我們考慮的問(wèn)題。
針對(duì)充電機(jī)充電鋰離子電池在實(shí)際使用中可能遇到安全風(fēng)險(xiǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了擠壓、針刺、短路、過(guò)充和過(guò)放、高低溫等充電機(jī)充電蓄電池安全性測(cè)試。在眾多的充電機(jī)充電蓄電池安全性測(cè)試中，模擬充電機(jī)充電鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路和外短路的擠壓、針刺和外短路測(cè)試是最為常規(guī)，也是最難通過(guò)的充電機(jī)充電蓄電池安全性測(cè)試。究其原因，主要還是因?yàn)檫@兩種充電機(jī)充電蓄電池安全性測(cè)試中瞬時(shí)電流過(guò)大，由于歐姆阻抗等因素使得充電機(jī)充電鋰離子電池內(nèi)部段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，受到充電機(jī)充電鋰離子電池結(jié)構(gòu)的限制，這些熱量無(wú)法快速擴(kuò)散到充電機(jī)充電電池外部，導(dǎo)致充電機(jī)充電鋰離子電池溫度過(guò)高，從而引發(fā)活性物質(zhì)和電解液的分解燃燒，導(dǎo)致熱失控。
以電動(dòng)汽車(chē)上常見(jiàn)的方形充電機(jī)充電電池為例，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，在充電機(jī)充電電池各個(gè)部分產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散的速度是不一樣的，因此會(huì)在充電機(jī)充電電池的平面方向和厚度方向上產(chǎn)生明顯的溫度梯度，特別是在大電流時(shí)，由于充電機(jī)充電電池內(nèi)部，特別是電芯中間位置產(chǎn)生的熱量無(wú)法很好的擴(kuò)散出去，因此電芯內(nèi)部的溫度會(huì)急劇的升高【1】，從而引發(fā)安全性問(wèn)題。
在擠壓測(cè)試中，隨著充電機(jī)充電電池變形程度的增加，正負(fù)極集流體會(huì)首先被撕裂，并沿著45度失效線發(fā)生滑移，活性物質(zhì)也會(huì)進(jìn)入到45度失效線內(nèi)，隨著隔膜變形程度的不斷增加，隔膜最終達(dá)到失效點(diǎn)，引起正負(fù)極短路的發(fā)生【2】，擠壓造成的正負(fù)極短路主要是以點(diǎn)狀短路為主【3】，因此會(huì)在短路點(diǎn)產(chǎn)生非常大的電流，熱量集中釋放，引起短路點(diǎn)的溫度急劇上升，因此很容易引發(fā)熱失控。
針刺實(shí)驗(yàn)也是用于模擬充電機(jī)充電鋰離子電池內(nèi)短路的一種方法，其基本原理是利用一根金屬針，以一定的速度緩慢的插入到充電機(jī)充電鋰離子電池的內(nèi)部，從而引起充電機(jī)充電鋰離子電池內(nèi)部短路，此時(shí)整個(gè)充電機(jī)充電鋰離子電池的電量都在通過(guò)短路點(diǎn)進(jìn)行釋放，相關(guān)研究顯示在內(nèi)短路發(fā)生時(shí)，最多會(huì)有70%左右的能量在60s內(nèi)通過(guò)短路點(diǎn)釋放【4】，這部分熱量最終都轉(zhuǎn)換為熱能，由于生成的熱量無(wú)法及時(shí)的擴(kuò)散，從而使的短路點(diǎn)瞬間的溫度可達(dá)到1000 ℃以上，從而引發(fā)熱失控【5】。
相比于上述的擠壓和針刺實(shí)驗(yàn)，外短路測(cè)試則顯得先對(duì)比較溫和。外短路測(cè)試是將充電機(jī)充電鋰離子電池連接一個(gè)定值電阻上，充電機(jī)充電鋰離子電池的電量通過(guò)電阻進(jìn)行釋放。根據(jù)定值電阻的大小可以控制短路電流的大小，從數(shù)十安到數(shù)百安，甚至是數(shù)千安，由于大電流會(huì)在充電機(jī)充電鋰離子電池內(nèi)短時(shí)間內(nèi)積累大量的熱量，可能會(huì)引發(fā)充電機(jī)充電鋰離子電池?zé)崾Э亍?/span>
能否通過(guò)短路測(cè)試主要受到短路電流大小的影響，短路電流越大，則充電機(jī)充電鋰離子電池?zé)崃慨a(chǎn)生的速度也就越快，而充電機(jī)充電鋰離子電池?zé)崃繑U(kuò)散速度不會(huì)有太大的變化，因此也就意味著在充電機(jī)充電鋰離子電池內(nèi)部積累更多的熱量，溫度上升更多，可能導(dǎo)致隔膜收縮，正負(fù)極短路等嚴(yán)重的問(wèn)題，繼而引起充電機(jī)充電鋰離子電池?zé)崾Э亍?/span>
影響充電機(jī)充電鋰離子電池短路電流的因素主要是短路電阻的阻值，其次還受到充電機(jī)充電鋰離子電池內(nèi)阻和荷電狀態(tài)等因素的影響，荷蘭的Akos Kriston等人通過(guò)對(duì)多種充電機(jī)充電鋰離子電池進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，在充電機(jī)充電鋰離子電池短路的過(guò)程中，電流變化主要分為一下幾個(gè)部分，區(qū)域1充電機(jī)充電電池的放電電流可達(dá)274C，這一部分主要由充電機(jī)充電鋰離子電池的雙電層和擴(kuò)散層放電驅(qū)動(dòng)，在區(qū)域2中，充電機(jī)充電鋰離子電池的放電倍率可達(dá)50-60C，這一部分電流的主要限制因素為物質(zhì)擴(kuò)散，由于熱量的積累，在此區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生充電機(jī)充電電池的熱失控。在區(qū)域3中，隨著驅(qū)動(dòng)力的下降，充電機(jī)充電電池的放電電流也在逐漸下降【6】。
Akos Kriston的研究發(fā)現(xiàn)，影響短路測(cè)試結(jié)果的主要因素是短路電阻阻值和充電機(jī)充電鋰離子電池的內(nèi)阻的比例，這甚至要比充電機(jī)充電鋰離子電池內(nèi)阻和充電機(jī)充電電池的荷電狀態(tài)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響還要大。可以看到，短路電阻的阻值與充電機(jī)充電鋰離子電池越接近，充電機(jī)充電鋰離子電池就越容易發(fā)生熱失控，只有當(dāng)短路電阻的阻值是充電機(jī)充電鋰離子電池內(nèi)阻的9-12倍以上時(shí)，充電機(jī)充電鋰離子電池才能通過(guò)短路安全測(cè)試。其實(shí)這也不難理解，在短路放電的過(guò)程中，熱量主要由外電路的短路電阻和充電機(jī)充電電池內(nèi)阻產(chǎn)生，根據(jù)焦耳熱的公式P=I2R，在電流相同的情況下，發(fā)熱功率與電阻程正比，在充電機(jī)充電電池能量一定的情況下，阻值大的部分自然也就會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。
從上述分析中不難看出，影響充電機(jī)充電鋰離子電池安全測(cè)試結(jié)果的因素從本質(zhì)上來(lái)講主要是產(chǎn)熱速率和散熱速率，通過(guò)安全保護(hù)設(shè)計(jì)等手段，降低安全測(cè)試過(guò)程中的產(chǎn)熱速率，或者在必要情況下，切段電流，阻止繼續(xù)產(chǎn)熱都能夠有效的避免充電機(jī)充電鋰離子電池發(fā)生熱失控。其次是提高充電機(jī)充電鋰離子電池的散熱速率，通過(guò)充電機(jī)充電鋰離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高散熱速率，可以有效的避免充電機(jī)充電鋰離子電池溫度過(guò)高，特別是在充電機(jī)充電電池組級(jí)別上，需要配備相應(yīng)的散熱手段，在部分充電機(jī)充電鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)，能夠快速散熱保證不引起連鎖反應(yīng)。
木文主要參考以下文獻(xiàn)
1.Large format lithium ion pouch cell full thermal characterisation for improved electric vehicle thermal management, Journal of Power Sources 359 (2017) 215- 223, lliomas Grandjean, Anup Barai, Hlham Hosseiazadeh, Yuc Guo, Andrew McGordon, James Marco
2.Internal configuration of prismatic lithium-ion cells at the onset of mechanically induced short circuit, Journal of Power Sources 306 (2016) 424-430, Hsin Wang, Srdjan Simunovic, Hossien Maleki, Jason N. Howard, Jerald A.
Hallmark
3.Progressive mechanical indentation of large-format Li-ion cells, Journal of Power Sources 341 (2017) 156-164, Hsin Wang, Abhishek Kumar, Srdjan Simunovic, Srikanth Allu, Sei^iy Kalnaus, John A. lurner, Jacob C. Hclmers, Evan T. Rules, Clinton S. Winchester, Philip Gomey
4.Internal short circuit in Li*ion cells, Journal of Power Sources 191 (2009) 568 574, Hossein Maleki, Jason N. Howard
5.The Relationship of the Nail Penetration Test to Safety of Li*lon Cells, 2013 DOK Annual Merit Review* Meeting, Mchmet Rona, YooKup H>*ung, Brian Bamett and Suresh Sriramulu
6.Hxtemal short circuit performance of Graphite>LiNil/3Col/3Mnl/302 and Cjraphite-LiNi0.8Co0.15A10.0502 cells at different externa丨 resistances, Journal of Power Sources 361 (2017) 170-181, Akos Kriston, Andreas Pfrang, Harry Do€ring, Benjamin Fritsch, Vanesa Ruiz, Ibtissam Adanouj, Theodora Kosmidou, Jurgen Ungcheucr, Lois Boon-Brett
- 上一篇：選擇隔離電源還是非隔離直流穩(wěn)壓電源解析 2017/8/16
- 下一篇：直流穩(wěn)壓電源軟件工程師 VS 硬件工程師 2017/8/16
