關(guān)于鋰離子電池，熱失控是最嚴(yán)重的安全事故，它會引起鋰離子電池起火甚至爆炸，直接威脅用戶的安全。鋰離子電池發(fā)生熱失控重要是由于內(nèi)部產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于散熱速率，在鋰離子電池的內(nèi)部積攢了大量的熱量，從而引起了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火和爆炸。

發(fā)熱失控的因素很多，總的來說分為兩類，內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素重要是：電池生產(chǎn)缺陷導(dǎo)致內(nèi)短路;電池使用不當(dāng)，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)鋰枝晶引發(fā)正負(fù)極短路。外部因素重要是：擠壓和針刺等外部因素導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生短路;電池外部短路造成電池內(nèi)部熱量累積過快;外部溫度過高導(dǎo)致SEI膜和正極材料等發(fā)生分解。

鋰離子電池?zé)崾Э卦蚍治?/p>

(1)過熱觸發(fā)熱失控

導(dǎo)致動力鋰電池過熱的原因來自于電池的選型和熱設(shè)計(jì)的不合理，或者外短路導(dǎo)致電池的溫度升高、電纜的接頭松動等，應(yīng)該從電池設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面來解決。從電池材料設(shè)計(jì)角度，可以開發(fā)來防止熱失控的材料，阻斷熱失控的反應(yīng)；從電池管理角度，可以預(yù)測不同的溫度范圍，來含義不同的安全等級，從而進(jìn)行分級報(bào)警。

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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(2)過充電觸發(fā)熱失控

過充電觸發(fā)的熱失控是指電池管理系統(tǒng)本身對過充電的電路安全功能缺失，導(dǎo)致電池的BMS已經(jīng)失控卻還在充電導(dǎo)致的。針對這類過充電的原因，解決辦法首先是查找充電機(jī)的故障，這可以通過充電機(jī)的完全冗余來解決；其次是看電池管理合不合理，比如說沒有監(jiān)控每一節(jié)電池的電壓。

隨著電池的老化，各個(gè)電池之間的一致性會越來越差，這時(shí)過充就更容易發(fā)生。這要進(jìn)行整個(gè)電池組的均衡，來保持電池組一致性。比如采用先并后串這一最常見電池組組合方法的串聯(lián)的電池組，在解決單體一致性問題后，最好的情況是擁有與最小容量的單體相同大的容量。有了這個(gè)一致性之后，容量回升了，同時(shí)也能防止過充。為了實(shí)現(xiàn)一致性，必須有一種方法對各個(gè)單體進(jìn)行容量估計(jì)?？梢愿鶕?jù)充電曲線的相似性來進(jìn)行全體電池組狀態(tài)的估計(jì)。也即是說，只要了解了其中一個(gè)單體電池的充電曲線，其他的曲線應(yīng)該跟它是相似的。經(jīng)過曲線變化，它們可以近似重合，曲線變化的過程中間的這些差異就很容易計(jì)算。根據(jù)一個(gè)單體可以推算出其他的單體。有了這樣的方法，就可以進(jìn)行上文提到的一致性的均衡，當(dāng)然這種算法的時(shí)間過長，要進(jìn)行簡化。

(3)內(nèi)短路觸發(fā)熱失控電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內(nèi)短路。這種內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時(shí)間非常長，而且不了解它什么時(shí)候會出現(xiàn)熱失控。若進(jìn)行試驗(yàn)，無法重復(fù)驗(yàn)證。目前全世界專家還沒有找到能夠重復(fù)由雜質(zhì)引起的內(nèi)短路的過程，都在研究當(dāng)中。要解決內(nèi)短路問題，首先要找到產(chǎn)品品質(zhì)好的電池廠商，選擇電池及電池單體容量；其次對內(nèi)短路進(jìn)行安全預(yù)測，在沒有發(fā)生熱失控之前，要找到有內(nèi)短路的單體。這意味著必須要找到單體的特點(diǎn)參數(shù)，可以先從一致性著手。電池是不一致的，內(nèi)阻也是不一致的，只要找到中間有變異的單體，就可以將其辨別出來。具體而言，正常的一個(gè)電池的等效電路和發(fā)生了微短路的等效電路，方程的形式實(shí)際上是相同的，只不過正常單體、微短路的單體的參數(shù)發(fā)生了變化。可以針對這些參數(shù)來進(jìn)行研究，看其在內(nèi)短路變化中的一些特點(diǎn)。其中特點(diǎn)之一就是內(nèi)短路單體的電勢差，比較其內(nèi)阻跟其他單體的差異。研發(fā)人員要利用模型來進(jìn)行單體的辨識。在測出每個(gè)單體的電壓、電流后，利用這些數(shù)據(jù)再結(jié)合模型，就可以把每個(gè)單體的內(nèi)阻預(yù)估出來。再把單體的參數(shù)全部預(yù)估出來后，根據(jù)參數(shù)的變化，便可以判斷其一致性是否發(fā)生了顯著性變化。(4)機(jī)械觸發(fā)熱失控碰撞是典型的機(jī)械觸發(fā)熱失控的一種方式。假如在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碰撞的一個(gè)仿真，最接近的是針刺。通過對三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池進(jìn)行針刺試驗(yàn)，研究熱失控過程，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰離子電池在這個(gè)熱失控過程中沒有三元鋰離子電池放熱表現(xiàn)的那么劇烈。實(shí)驗(yàn)表明，不同的材料在針刺的時(shí)候會有不同的反應(yīng)，磷酸鐵鋰相對安全。解決碰撞觸發(fā)熱失控的辦法就是做好電池的安全保護(hù)設(shè)計(jì)。

一般而言，熱失控發(fā)生之后，會往下傳播。比如第一節(jié)熱失控之后會有傳熱，開始傳播，然后整組像放鞭炮似的一個(gè)一個(gè)接下來。針對這種傳播，可以建立一個(gè)模型，包含中間溫度升高率、化學(xué)能電能的產(chǎn)熱、傳熱對流等。整個(gè)熱電耦合的模型，可以用量熱儀來做一個(gè)相關(guān)的定量分析。有了傳播模型，研發(fā)人員可以設(shè)計(jì)如何來阻斷和抑制，這要加隔熱層。但是，加隔熱層并不簡單，一方面加厚了體積大，另一方面隔熱層跟冷卻又是矛盾的。這些都是要解決的問題?？傊?，在熱失控?cái)U(kuò)展和抑制方面，研發(fā)人員要從安全保護(hù)設(shè)計(jì)和電池管理兩個(gè)方面著手。、

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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電池?zé)崾Э氐念A(yù)測

美國德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的KrishnaShah對鋰離子電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象進(jìn)行了分析，并建立了一套鋰離子電池?zé)崾Э氐念A(yù)測機(jī)制，關(guān)于鋰離子電池的安全設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。相關(guān)研究顯示，鋰離子電池?zé)崾Э剡^程重要由一下反應(yīng)組成：SEI膜分解，電解液和粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，電解液和正極活性物質(zhì)發(fā)生分解。

影響鋰離子電池?zé)崾Э氐囊蛩乜梢苑譃閮蓚€(gè)，一個(gè)是電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率，另外一個(gè)是鋰離子電池的散熱速率。傳統(tǒng)的熱分析工具，一般假設(shè)鋰離子電池的產(chǎn)熱在整個(gè)體積內(nèi)是均勻的，因此這些工具分析認(rèn)為熱失控與電池的熱導(dǎo)率無關(guān)，這與鋰離子電池在實(shí)際中的情況是不同的，因此預(yù)測結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。研究顯示，即使在26650電池內(nèi)部也存在這很大的熱梯度，因此傳統(tǒng)的方法和工具無法來準(zhǔn)確預(yù)測電池內(nèi)部和外部的熱狀態(tài)。

為了解決上述問題，KrishnaShah在傳統(tǒng)的鋰電熱分析模型上加入了熱導(dǎo)率參數(shù)，從而出現(xiàn)了一個(gè)無量綱參數(shù)熱失控?cái)?shù)(TRN)。首先KrishnaShah建立了一個(gè)電池溫度與產(chǎn)熱和散熱的之間的等式關(guān)系，如下所示

對公式之中的產(chǎn)熱函數(shù)Q(T)在溫度為T0處進(jìn)行泰勒展開，忽略高階項(xiàng)可得到如下公式

然后該公式要經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)求解過程，小編實(shí)在看不懂就不給大家介紹了，讓我們直接看結(jié)果吧。最后推導(dǎo)獲得如下結(jié)果

在整個(gè)操作范圍內(nèi)，都必須滿足上述公式才能保證不發(fā)生熱失控。該公式結(jié)合了電池內(nèi)部熱傳遞kr，電池表面散熱&mu;1，電池產(chǎn)熱速率參數(shù)&beta;以及電池半徑等參數(shù)。而電池的產(chǎn)熱速率參數(shù)&beta;和電池散熱以及熱導(dǎo)率系數(shù)是控制鋰離子電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵參數(shù)，通過增大&beta;值，TRN值也響應(yīng)增大，當(dāng)TRN>1時(shí)，電池就會發(fā)生熱失控，而TRN<1是電池則不會發(fā)生熱失控，要注意的是，&beta;并不是一個(gè)固定的值，而是隨著溫度的升高而不斷增大，因此TRN也會隨之增大。

電池的散熱重要由兩步構(gòu)成，電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和電池外部的熱對流，因此在&beta;一定的前提下，就要調(diào)整電池的熱導(dǎo)率kr和表面散熱參數(shù)&mu;1來保證TRN<1，從而保證電池的安全性。例如當(dāng)&beta;=6000W/m3K，kr和&mu;1的安全范圍如上圖所示。

通過KrishnaShah的工作，在電池的安全設(shè)計(jì)中我們可以利用TRN公式來計(jì)算鋰離子電池的熱安全系數(shù)，&beta;值和kr值可以通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)就行測量，根據(jù)不同材料的&beta;值和kr值，可以對電池的R值和表面散熱&mu;1進(jìn)行調(diào)整，保證TRN<1，確保鋰離子電池的安全性。