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探讨磷酸铁锂动力锂电池机械设备乱用负荷下的安全隐患

探讨磷酸铁锂动力锂电池机械设备乱用负荷下的安全隐患

来源:
2021/12/30 13:52
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【摘要】:

  本文的背景是迅速崛起的电动汽车市场和随之而来的电池安全问题。随着电动汽车数量的增加,当电动汽车的事故数量与传统燃油汽车的事故数量相当时,电动汽车电池的碰撞安全问题将更加突出。 在汽车碰撞中,电池组可能因挤压而严重变形,也可能因冲击力过大而没有明显变形,从而造成一定的热失控风险。这方面的一个著名案例是2014年的TeslaModelS,该车在高速行驶中与地面物体发生碰撞。其电池组严重变形,并因热失控而起火。在可预见的未来,电动汽车携带的电池容量将继续增加,潜在风险更大。碰撞安全问题已经成为一个亟待解决的问题。

  与热滥用和电滥用条件下的电池安全研究相比,机械滥用条件下的电池安全研究相对较少。本文回顾了目前对电池片、电池模块和电池包在机械载荷下的变形和失效的研究,从研究规模上看,电池碰撞安全研究包括电池组件材料、电池单体、电池模块和保护结构、电池包等各个层面,如下图所示。 电池碰撞安全研究的重要目标是:(1)了解电池单体在机械载荷下的变形和失效特征以及与内部短路触发的相关性,最终建立电池单体、模块或电池组的损伤准则和损伤容限;(2)建立计算精度和效率兼备的有限元仿真模型,指导电池组保护结构的设计。

  组成材料的尺度研究。由正极、隔膜和负极组成的叠层结构是不同类型电池的基本组成单元,正负极是由金属集流体和涂在表面的涂层组成。 电池组成材料的机械性能,包括金属集流体、正负电极涂层、隔膜和涂层与集流体之间的界面,直接决定了电池的机械行为。与传统的金属材料类似,金属集合体的机械行为表征包括塑性、韧性断裂、各向异性和速率依赖,但重要的困难在于实验数据的获取。 这是由于电池中使用的金属集流体的厚度很薄(10-25um),这使得试样的制备、夹紧、加载和测量都很困难。隔膜在隔离正负极方面起着重要作用,因此它的机械行为,特别是断裂行为,也直接影响到电池的内部短路。 隔膜通常是一种高分子材料(PE、PP),其力学行为表征很复杂,包括弹性、塑性、断裂、材料方向、温度和时间依赖等因素。关于涂层材料和涂层与集流体之间的界面特性的研究相对较少。

  电池片尺度的研究。电池片是电池组中最小的组成单元。在实验方面,为了研究电池片的机械失效模式及其与内部短路发生的相关性,考虑到实际碰撞事故中电池片的复杂加载条件,应进行不同加载条件的实验。下图列出了电池片的典型加载条件,包括平面内挤压、平面外挤压(球形加载头、圆柱形加载头)和三点弯曲。除了加载形式外,还需要考虑单体的充电和加载速度的影响。

  电池模块的尺寸。与单体电池类似,电池模块也需要考虑不同加载形式、充电和加载速度下的机械失效和热失控。然而,电池模块通常是由单体和其他附件组成的组,部件多,总能量高,因此增加了实验和模拟的成本。目前,已经发表的电池模块试验和模拟结果很少。下图是清华大学周青教授团队发表的实验结果。可以看出,在不同的冲击方向下,电池模块的机械损伤和热失控现象有很大的不同。我们看到,电池管理系统和动力电池组共同组成了电池组。与电池管理系统沟通的两个部件,即车辆控制器和充电器。电池管理系统。通过CAN总线与ev车辆控制器通信,报告电池组状态参数,接收车辆控制器指令,并根据车辆要求确定功率输出;向下,监测电池组的运行状态,保护电池组免受放电、过热等异常运行状态的影响;充电时,与充电器交互,管理充电参数,监测充电过程的正常完成。

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  蓄电池管理系统,一般由主控模块和采集模块或从控模块组成。电压采集、温度采集、均衡等功能一般分布在从控模块上。总电压、总电流采集、内外通讯、故障记录、故障决策,是主控模块的功能。

 

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