热失控处理:电芯安全行为的量化

2022-07-12      457 次浏览

从电动汽车的长期发展来看,电芯的能量密度和成本的诉求,会直接推动电芯层面直接安全等级的变化。


【文/汽车电子设计朱玉龙】对经受热失控的电芯的安全行为进行量化描述,重要的目标是在电芯层面建立基于电芯不同参数的安全性评估。这个事情的核心,已经不是仅仅从电芯的安全实验来分析评估电芯过不过实验,或者仅仅依据安全等级来判定电芯安不安全。从电动汽车的长期发展来看,电芯的能量密度和成本的诉求,会直接推动电芯层面直接安全等级的变化。这个变化后面就没法用过不过来描述,要我们根据测试数据库,给不同的电芯来建立一个量化的模型,重要的包括:


1)测量电芯在各种激发条件下的总放热量;


2)电芯热失控的反应时间的确定;


3)电芯释放的气体压力随时间的变化曲线;


3.1)释放气体总量的测定


3.2)气体出现率的测定


备注:我觉得未来三个重要的核心参数,温度、气压和电压变化是我们探知这个过程的核心量化的关键


4)电池的质量损失;


5)几个测量点的精确温度曲线;


6)每种反应产物的性质和数量;


在这里不同的机构,拿着不同的电芯做实验,假如把它作为能量释放的过程:


里面是可以根据电芯的数据得到一些初步的结论:


1)在电芯层面要收集电芯的尺寸,特别是大体积下,较高的电解液量导致的热失控过程中,电解液随着泄压阀喷出之后的物质损失量,假如氧气进入,会使得热量通过空气传播;


这股热流+热气会伴随着很高的温度去切割泄压阀上部的所有隔热材料和上盖,我们算冲击力的过程要算气体、压力、流量和电解液直接往保护设备上喷;


假如我们按照每Ah的情况,可以核算出要解决的热量:


ChemicalenergyperAh:Q=Q1+Q2=21.0kJ


ElectricenergyperAh:3.65Vx1Ah=13.1kJ


2)电芯的表面温度


按照这个实验结论挺吓人的,电芯的表面温度和电芯的能量密度正相关,这个Y轴的数据好吓人。


我们在设计这个隔热材料的时候,重要依据是考虑失控电芯的表面温度和相邻电芯的隔热面的温度,还有电芯的热稳定性(受害电芯基本是由于加热问题被引燃的)。


还有一个问题是在电芯循环老化以后,有关这个过程会更快一些,电芯层面要建立一个数据库才是。《不同循环周期锂离子动力锂电池热失控特性分析》一文里面是有不少的数据的。


经过1C循环实验,电池循环1000周后放电容量降低了17%,同时电池的充放电直流内阻随着循环次数新增而逐渐增大。等效电路得出的拟合数据及热失控曲线表明,电解液和SEI膜出现的阻抗随循环次数新增而增大,循环次数的新增会降低电池自产热温度,即SEI膜的分解温度,电池循环老化过程中使得SEI膜热稳定性变差。


小结:往能量密度更高的路上走,往大容量电芯路上走,单颗电芯出问题之后,我们要在模组设计和整包设计上付出更多的工作。单纯追求能量密度真是给整个产业挖大坑,一波波工程师要往里面填这个大坑。

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