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公司新聞
2017-02
24
鋰電池安全不是說出來的 是算出來的
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鋰電池安全不是說出來的 是算出來的

鋰離子電池的熱失控和爆炸是鋰離子電池使用中最危險的情況,為了能準確的描述鋰離子電池的風險狀況,Wang等根據災難理論分析了鋰離子電池熱失控和爆炸風險發生的可能性,首先他們分析了鋰離子電池產熱過程

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其中i和V為電池兩極輸出電壓和電流,Ereact為電池內部材料和SEI膜分解產生的總熱量,Vo為平衡電勢,T為絕對溫度,Eloss為通過熱傳導和熱輻射的散熱速率,右邊則表示電池總的加熱速率,其中C為比熱容,ρ質量密度,W為總體積,t為時間。根據該公式可以推導出如下公式

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其中θ為無量綱溫度,Τ為無量綱時間,αn為考慮到不同的分解反應的活化能和產熱的參數。基于該公式可以對圓柱型鋰離子電池的熱失控過程進行描述,描述過程是基于三個變量U、V、W,而這幾個變量又是基于θ和αn兩個值。

由于電池的安全性與電池濫用是負相關的,因此有如下關系

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可以將安全函數計算公式設為如下模式,其中g(x)為濫用函數,當g(x)趨向無窮大的時候,安全函數趨向0,表明電池極度不安全,而濫用函數g(x)為0的時候,電池完全沒有濫用,因此電池安全函數值為1,表明電池是完全安全的。

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一般我們可以設安全函數閥值為0.8,當安全函數值小于0.8時,就可以判定電池處于危險狀態。該公式應用的關鍵是找到一個合適的濫用判斷函數,濫用函數要包含多種與電池狀態相關的變量,例如電池的使用溫度T,輸出電流I,電壓V,荷電狀態SOC,以及電池健康狀態SOH等參數。

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鑒于高維函數難以推導,因此我們嘗試降低難度,以單一變量推導ƒsafe函數,可以用于判斷電池安全性的指標有多種,例如電流、電壓、溫度等,我們嘗試利用容量為1.1Ah的磷酸鐵鋰18650電池進行相關安全實驗推導ƒsafe函數。下面我們將以電流這個變量嘗試推導安全函數ƒ與電流之間的函數關系。

實驗中發現在20C的電流下,磷酸鐵鋰18650電池是完全安全的,但是當電流達到30C的時候,電池溫度開始升高,因此我們可以認為X<20C以下的時候,電池是完全安全的,因此安全函數ƒ值為1,30C以上時電池是不安全的,即電流為X=30C時,ƒ值為0.8。根據如下公式進行推導計算

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經過相關計算得出d=20,m=0.0025,因此對于電流這個變量有如下安全函數

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可以利用如上方法推導的單個變量的安全函數,當安全函數值小于0.8時電池就處于危險狀態了,根據該函數就可以對電池的安全狀態進行實時監控。電池對于多個變量的總體安全函數可以定義為如下形式,并根據實際情況確定一個ƒ值,以確保ƒ在該值以上電池是安全的

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從上面推導過程可以注意到,該方法最重要的點是如何選擇一個ƒ=0.8的點,這需要根據具體電池系統對安全性要求的高低進行確定,例如對安全性要求較高的電動汽車領域就需要對ƒ=0.8點選擇更加嚴格,而手機電池就可以適當的放寬一些。

該方法將電池安全性指標概念性的描述轉變為一個函數,由此可以獲得一條電池安全性曲線,對電池安全性的評估也更加直觀,并對多個影響電池安全性的變量進行整體的跟蹤,即時確定電池的安全狀態,方便BMS系統對電池的管理。

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