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淺談電動汽車鋰電池的安全性保障措施

發(fā)布時(shí)間:2023-01-06作者來源:薩科微瀏覽:1653


在電動汽車涉及的三大核心技術(shù)中心,電池、點(diǎn)機(jī)還有電控中,可以說電池技術(shù)還有與之配套的相關(guān)的設(shè)施是人們普遍關(guān)心的問題。無論是對于已經(jīng)使用了將近一個(gè)世紀(jì)的鉛酸電池還是目前人們普遍關(guān)注的鋰離子電池,相關(guān)從業(yè)者一直在探索其性能、安全與成本之間[敏感詞]的應(yīng)用方案。

IDM&MSZ




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電動汽車鋰電池安全隱患分析 


電池過熱而造成的熱失控是鋰離子電池起火的主要原因,常發(fā)生在電池充電與放電的過程中。由于鋰離子本身具有一定的內(nèi)阻,在電能輸出保證電動車能量供給的同時(shí)自身也會產(chǎn)生一定的熱量,這種持續(xù)的熱量會使得鋰離子電池本 身的溫度變高。鋰離子電池是由多個(gè)單體電芯構(gòu)成的整體,當(dāng)電池溫度處在持續(xù)升溫的狀態(tài)下,能量供給過程中產(chǎn)生的大量熱能就聚集在狹小的電池箱體中,在超出其正常的工作溫度和承受極限時(shí),便會嚴(yán)重?fù)p害鋰離子電池的使用壽命, 甚至導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э仄鸹鸹虮ā?nbsp;


 一、碰撞原因?qū)е碌臒崾Э?nbsp;

電動汽車發(fā)生交通事故時(shí)會產(chǎn)生不同程度的碰撞,而強(qiáng)烈的外力因素也會同時(shí)作用到鋰離子電池,使得鋰離子電 池箱體變形、破損,電池本身的配件被移位或損壞,電池的隔膜被撕裂導(dǎo)致電池內(nèi)部短路,易燃的電解質(zhì)泄漏出來。在 所有的碰撞傷害對電池性能產(chǎn)生的破壞中,最為嚴(yán)重的當(dāng)屬穿刺傷害,嚴(yán)重的穿刺傷害會直接[敏感詞]電池本體,造成電池的正負(fù)極直接短路并加劇熱量集中生成爆發(fā),引起發(fā)熱失控, 嚴(yán)重破壞電池的正常性。

 二、使用不當(dāng)導(dǎo)致的熱失控  

使用不當(dāng)也是引起鋰離子電池?zé)崾Э氐闹饕颍唧w體現(xiàn)在充電過度、放電過度、外部短路等幾大原因。相較于外部短路和充電過度,放電過度對鋰離子電池的危害相對較小,放電過程中的銅枝晶增長會降低電池的安全性,間接增加熱失控的幾率。外部短路時(shí),電池的熱量不能有效散去, 電池溫度升高并引發(fā)熱失控。充電過度是對鋰離子電池危害[敏感詞]也是引起電池?zé)崾Э刈钪饕脑颍潆娺^度會造成過量的鋰嵌入,鋰枝晶在陽極表面生長,鋰的過度脫嵌導(dǎo)致陰極結(jié)構(gòu)因發(fā)熱和氧釋放而崩潰,氧氣的釋放會加速電解質(zhì)的分解,從而產(chǎn)生大量氣體,隨著內(nèi)部壓力的增加讓排氣閥打開,電池開始排氣。此時(shí),電芯中的活性物質(zhì)與空氣接觸并發(fā)生劇烈反應(yīng),放出大量的熱,從而導(dǎo)致電池燃燒起火。 

 三、外部環(huán)境溫度過高導(dǎo)致的熱失控  

外部環(huán)境溫度過高也是導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控事故的原因之一。當(dāng)外部環(huán)境過高時(shí),鋰離子自身的散熱加劇并無法有效分散,內(nèi)外的熱壓力聚集導(dǎo)致鋰離子溫度控制系統(tǒng)被破壞,無法起到應(yīng)有的保護(hù)效果,從而造成短路引發(fā)熱失控。外部環(huán)境溫度過高的原因是多方面的,如電動汽車空調(diào)系統(tǒng)失靈、熱管理系統(tǒng)失效、外部碰撞導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)被擠壓和損壞等,這些因素都可能導(dǎo)致外部環(huán)境溫度過熱,進(jìn)而發(fā)生電池?zé)崾Э亍?nbsp;




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鋰電池過度充電實(shí)驗(yàn)



電動汽車鋰電池安全性的提升策略



提高電池的安全性能包括電池生產(chǎn)、電池材料和電池管理三個(gè)方面,電池生產(chǎn)主要是保證電池的一致性,材料包括正、負(fù)極、電解液、隔膜,電池安全管理系統(tǒng)包括電池內(nèi)部、外部等數(shù)據(jù)監(jiān)測。



01

一致性要求 


電動汽車用動力電池的整體性能取決于電池組中性能 最差的單體電池,因此,各單體電池的性能一致能[敏感詞] 確保發(fā)揮動力電池的[敏感詞]性能。動力電池的一致性包括容量 一致性、內(nèi)阻一致性、電壓一致性。如果某個(gè)單體電池的初始容量大或者是小,那么在充電時(shí)該單體電池就很容易過充 或者放電時(shí)最先過放,從而產(chǎn)生熱失控。同樣,內(nèi)阻的一致 性和電壓的一致性,對動力電池安全的影響巨大。



02

動力電池材料性能


從動力電池安全角度來講,動力電池材料性能主要指材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性,其中尤以熱穩(wěn)定性最為突出。為防止熱失控的產(chǎn)生,研究人員通過不同方法來提高材料的熱穩(wěn)定性。對于電解液,可通過添加功能添加劑、 用離子液體取代有機(jī)溶劑、選擇熱穩(wěn)定性好的鋰鹽、采用聚合物電解質(zhì)的方法提高熱穩(wěn)定性。正極與電解液反應(yīng)是熱失控的主要原因,選用 MgO/Al2O3/ZnO/SiO2/TiO2 等物質(zhì)對正極材料進(jìn)行表面包覆,可提高正極材料的安全性。中間相碳微球 (MCMB) 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較層狀石墨更好,隔膜在高溫下產(chǎn)生熱縮變形會增大微孔的尺寸,更有利于鋰離子的遷移,加快熱失控進(jìn)程。可通過熱穩(wěn)定性更好的隔膜替代,也可采用添加少量 Al2O3 或 SiO2 納米粉的隔膜,提高隔膜的熱穩(wěn)定性。 



03

電池安全管理系統(tǒng)


汽車動力電池最重要管理系統(tǒng)稱為BMS,其作用是監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度、電量,防止電池過電流、過充、過放、過溫,一旦發(fā)現(xiàn)有這些情況的發(fā)生,就會中止充電進(jìn)程,或者切斷電池對外供電,一定程度上能降低發(fā)生熱失控的幾率。但對電池內(nèi)部短路,比如枝晶、針刺引起的內(nèi)部短路,以及已經(jīng)發(fā)生的熱失控,BMS無能為力。但是鋰離子電池在熱失控的早期階段會產(chǎn)生一定量的氣體,為熱失控預(yù)警提供了一種有效監(jiān)測方法。研究表明,氣體相對于溫度、電壓、爬電距離等參數(shù)具有更短的響應(yīng)時(shí)間。因此,通過產(chǎn)氣現(xiàn)象早期監(jiān)測鋰離子電池?zé)崾Э鼐哂兄匾囊豁?xiàng)安全預(yù)警措施。

慧聞科技自主研發(fā)的智能傳感器模組MSZ3005電池安全監(jiān)測模塊,可用于判斷當(dāng)前環(huán)境中的危險(xiǎn)氣體等級(CO,氫氣,DMC電解液等),可同時(shí)識別和檢測電池泄露的氣體含量,模組具有高靈敏度、高分辨率、低功耗的特點(diǎn)。同時(shí)也可以根據(jù)等級進(jìn)行高低報(bào)警,該模組的傳感器是不同材料體系組成的多通道氣體傳感器,使用特定的調(diào)理電路和精確地算法來判定當(dāng)前環(huán)境中三種危險(xiǎn)氣體的預(yù)警等級,對于電池組安全的早期預(yù)警有非常實(shí)用的意義。


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此外還有改善散熱性能的方案,熱失控反應(yīng)鏈表明,如果電池產(chǎn)熱速度低于散熱速度, 則溫度的自我強(qiáng)化循環(huán)就建立不起來,熱失控就不會產(chǎn)生。為此,有從業(yè)者研究了基于熱管冷卻的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)對防止熱失控的性能,整個(gè)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)由電池組、隔熱板、熱管組、冷卻介質(zhì)組成。在兩相鄰單體電池之間放置熱管組或隔熱層, 熱管組中的銅片襯于熱管和單體電池之間,以增大散熱面積, 依靠熱管組中液體的相變吸熱完成冷卻作用,隔熱板置于兩相鄰單體電池之間,用于隔離相鄰單體電池之間的熱傳遞。通過優(yōu)化隔熱措施和冷卻方式可有效提高電池組工作溫度的穩(wěn)定性,阻斷熱失控傳播。 

該結(jié)構(gòu)對降低熱失控的發(fā)生概率有一定作用,但效果有限,且加大了電池組的體積,增加了重量,目前這種方案還很難用于緊湊的汽車上,倒是在部分儲能系統(tǒng)中有應(yīng)用案例。 


結(jié)語


電動鋰電池作為新能源汽車的主流動力源,其安全、 穩(wěn)定、可靠的性能是保證和加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要前提,也是實(shí)現(xiàn)建設(shè)資源節(jié)約型社會的重要途徑。因此,我們應(yīng)在各個(gè)方面不斷完善提升,切實(shí)提高動力鋰電池的安全防控性能,更好地促進(jìn)新能源汽車行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。



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