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戴姆勒電池應用研究:不同傳感器檢測動力鋰電池熱失控

鉅大LARGE  |  點擊量:970次  |  2020年03月04日  

熱失控是鋰離子動力鋰電池危害最直接的表現(xiàn)形式,也是動力鋰電池公司和各大車企投入巨大研究和防范的重點。動力鋰電池屬于含能體,在某些極端條件下熱失控很難避免,電池發(fā)生熱失控后防護重心應轉移到如何更好地保護乘客的生命健康。EVS-GTR和《電動汽車用動力蓄電池安全要求》報批稿均強調了熱事件預警信號的重要性,以保證乘客有足夠的時間逃生。德國戴姆勒公司SaschaKoch(第一作者)等分別開展了三組實驗研究不同傳感器在電池發(fā)生熱失控后的檢測表現(xiàn),研究思路和結果非常具有指導意義,詳見FastThermalRunawayDetectionforLithium-IonCellsinLargeScaleTractionBatteries.Batteries,2018,4,16.


表1.實驗所用的7中傳感器信息及用途。


實驗共用到7中傳感器,如表1所示,檢測范圍涉及電壓、氣體、煙霧、、蠕變位移、溫度、氣壓和力。其中氣體傳感器S2為SnO2半導體,重要檢測CH4、C3H8和CO。煙霧傳感器S3是自制的,通過紅外光的反射和LED燈實現(xiàn)檢測。


表2.三組實驗具體信息。實驗中所有電池處于100%SOC,V2和V3測試在60℃進行。


實驗共進行了三組,如表2所示,分別是V1、V2和V3。其中V1使用的是20AhNMC單電芯軟包電池,通過加熱板加熱觸發(fā)電池熱失控。V2使用的65AhNMC軟包電池2P的單模組,通過針刺觸發(fā)熱失控。V3使用的58AhNMC電池2P雙模組,同樣通過針刺觸發(fā)熱失控。


圖1.三組實驗傳感器布置示意圖:(a)V1組;(b)V2組;(c)V3組。圖中標記1為Al制密閉裝置,標記2為觸發(fā)熱失控的加熱板或針,標記3為填充塊,標記4為防爆閥,標記5為壓力傳感器,標記6為氣體傳感器,標記7為溫度傳感器,標記8為煙霧傳感器,標記9為位移傳感器,標記10為傳感器區(qū)域,標記11為模組。


三組實驗傳感器布置如圖1所示。Al密閉結構的體積并未給出,只告知防爆閥作用壓力為30kPa≤Pburst≤70kPa,V3測試安排有2個防爆閥。其中V1和V3是在密閉條件下進行,V2是在開口條件下進行,所有V2組并未使用壓力傳感器。


圖2.V1組加熱觸發(fā)熱失控測試結果。其中“visibleventing”虛線表示電池開閥過程在外部可以觀察到。


圖2所示為V1組測試結果。不難看出氣體傳感器S2、煙霧傳感器S3、壓力傳感器S6和位移傳感器S4響應較快,其中氣體傳感器S2反應最快,煙霧傳感器S3緊隨其后。值得注意的是,相較氣體信號,電壓顯著降低幾乎滯后了20s。從溫度上看,最大溫升達到250℃,最高溫度接近300℃。


圖3.V2組針刺觸發(fā)熱失控結果,其中磚紅色虛線代表電池被完全刺穿時刻。


如圖3所示,V2組實驗中同樣是氣體傳感器S2、煙霧傳感器S3和位移傳感器S4響應最快。同V1組相比,電壓響應滯后時間晚了接近40s,作者認為電池型號不同或觸發(fā)熱失控方式不同所致。最大溫升約150℃,最高溫度接近200℃。


圖4.V3針刺觸發(fā)熱失控結果,其中磚紅色虛線代表電池被完全刺穿時刻。


如圖4所示,V3組實驗中響應最快的是氣體傳感器S2(出現(xiàn)異常)、煙霧傳感器S3、位移傳感器S4和壓力傳感器S6,結果同V1組、V2組一致。電壓響應滯后了20多秒,但電壓在90s附近和115s附近出現(xiàn)一定程度波動。溫度曲線共出現(xiàn)3次峰值,后兩次峰值為模組內其他電池發(fā)生排氣所致,最高溫升為300℃。


表3.傳感器結果比較,“+”表示性能良好,“0”表示性能一般,“-”表示性能較差。


綜合以上三組測試結果,本研究所用的檢測電池熱失控的7種傳感器表現(xiàn)如表3所示。直觀上看沒有任何傳感器三種優(yōu)點兼得,均是有得有失。但簡單從熱失控預警角度出發(fā),要求傳感器的檢測速度越快越好,氣體傳感器S2、壓力傳感器S6和力傳感器S7均有很好的響應速度。從以上比較不難看出,常檢測的電壓和溫度均不太適合用于電池熱失控預警。熱失控預警往往使用多種傳感器,可綜合考慮系統(tǒng)設計和傳感器的優(yōu)缺點選用兩三種傳感器進行布置。


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