動(dòng)力電池?zé)崾Э厥侨绾伟l(fā)生的你知道嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-19 19:04
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熱失控的誘因包括機(jī)械電氣誘因（電池碰撞擠壓、針刺等）和電化學(xué)誘因（電池過充過放、快充、低溫充電、自引發(fā)內(nèi)短路等）。當(dāng)一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控之后，相鄰單體受影響后也相繼發(fā)生熱失控，導(dǎo)致熱失控蔓延，最終引發(fā)安全事故。
一、電池充電析鋰與快充控制
近期發(fā)生的充電事故的分析表明，主要是不當(dāng)快速充電或過充引發(fā)電池析鋰，導(dǎo)致熱失控溫度大幅度下降，從219℃下降到107℃，并與電解液劇烈反應(yīng)，電池在107℃發(fā)生熱失控。
通過實(shí)驗(yàn)表征發(fā)現(xiàn)，電池快充時(shí)能明顯看出析鋰的產(chǎn)生。通過對(duì)析鋰機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)析鋰的完整過程，包括電池充電過程負(fù)極表面鋰析出和重新嵌入，析出過程就是負(fù)極零電位之后形成，在電池停止充電之后，電位會(huì)恢復(fù)到零電位以上，這個(gè)時(shí)候會(huì)重新嵌入，然后所有的可逆鋰均完全溶解，負(fù)極不再發(fā)生反應(yīng)。
我們對(duì)這個(gè)機(jī)理建立了仿真模型，在常規(guī)電池準(zhǔn)二維(P2D)模型基礎(chǔ)上加入析鋰反應(yīng)的過程，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。從仿真結(jié)果看，可以成功模擬充電析鋰后電池靜置過程中的電壓平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)是重新嵌入的過程。對(duì)上述電壓平臺(tái)進(jìn)行微分處理，可以定量得到整個(gè)析鋰全過程的時(shí)間。以這個(gè)時(shí)間為一個(gè)變量，我們可以建立經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出析鋰量。
在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了無析鋰安全快充研究。
首先，建立了準(zhǔn)二維電化學(xué)機(jī)理模型，用于預(yù)測負(fù)極電位，并以此為基礎(chǔ)得到最優(yōu)充電曲線的解析表達(dá)式，接著以充電負(fù)極定位為一個(gè)基準(zhǔn)，加一個(gè)冗余量，可以推導(dǎo)出電池最優(yōu)的充電電流。
以此為基礎(chǔ)，我們可以進(jìn)行最優(yōu)充電的控制，以基于模型的負(fù)極電位觀測器為基礎(chǔ)，可以把負(fù)極電位觀測出來的電位，跟參考電位進(jìn)行比較，通過調(diào)整充電電流使這個(gè)電位差趨于零可以實(shí)現(xiàn)無析鋰的快充。
上述模型會(huì)隨著電池的衰減，形成誤差，模擬結(jié)果可能不一定準(zhǔn)確。所以，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上開發(fā)新型的參比電極，直接反饋負(fù)極電位，傳統(tǒng)參比電極壽命極短，我們開發(fā)了新型的參比電極，壽命超過5個(gè)月，并且還在繼續(xù)優(yōu)化，希望參比電極的使用壽命盡可能延長，真正做到能夠作為傳感器使用。
在沒有實(shí)現(xiàn)裝車傳感器應(yīng)用之前，我們應(yīng)用于充電算法的標(biāo)定，可以節(jié)省大量時(shí)間，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的充電算法標(biāo)定每次都要拆解觀測，應(yīng)用參比電極之后可以不用拆解，高效率優(yōu)化充電算法。
目前國內(nèi)公司的充電算法都過于簡單，我們跟日產(chǎn)進(jìn)行過交流，其充電算法是基于大量數(shù)據(jù)MAP圖進(jìn)行的，所以我們必須也要做好MAP圖，使充電算法能夠考慮各種各樣的影響因素，這個(gè)過程的工作量和實(shí)驗(yàn)量是非常大的。
為了解決這個(gè)問題，應(yīng)用長壽命的參比電極，以此為基礎(chǔ)標(biāo)定出盡量接近于最優(yōu)充電電流的充電曲線。
二、電池內(nèi)短路和電池管理
內(nèi)短路是電池?zé)崾Э氐墓残原h(huán)節(jié)，各種各樣的原因都可能產(chǎn)生不同類型的內(nèi)短路，包括機(jī)械變形、擠壓、撕裂，隔膜破裂、過充過放、極端過熱。更危險(xiǎn)的一種內(nèi)短路是自引發(fā)內(nèi)短路，如波音787的事故，是在制造過程中引入的雜質(zhì)和顆粒，在長期運(yùn)行之后累積演變發(fā)生的。
枝晶生長是可以模擬的，而內(nèi)短路是較難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)的現(xiàn)象，需要發(fā)展各種各樣的替代實(shí)驗(yàn)方法。我們發(fā)明了一種新的替代實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行內(nèi)短路的模擬測試，主要是將特制的具有尖刺結(jié)構(gòu)的記憶合金內(nèi)短路觸發(fā)元件植入電池內(nèi)部，升溫使尖刺結(jié)構(gòu)翹起并刺穿隔膜，模擬內(nèi)短路過程。
通過該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主要的內(nèi)短路類型包括，鋁-銅、正極-銅、鋁-負(fù)極、正極-負(fù)極等四種電路。其中有的是立即發(fā)生熱失控，如鋁和負(fù)極的接觸；而正極和負(fù)極接觸一般不會(huì)發(fā)生熱失控；鋁和銅接觸的危險(xiǎn)程度也比較高，但是不一定馬上引發(fā)內(nèi)短路。
我們對(duì)熱失控內(nèi)短路建立仿真模型，其中很重要的是內(nèi)短路位置的熔斷，這種熔斷可能導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)短路終止，也有可能導(dǎo)致更劇烈的內(nèi)短路發(fā)生。
為此，我們對(duì)影響這種熔斷的各種參數(shù)進(jìn)行了分析。我們對(duì)整個(gè)內(nèi)短路發(fā)生演變的過程進(jìn)行了綜合分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，提出為防止發(fā)生熱失控，必須要在早期階段將內(nèi)短路檢測出來。
介紹其中的一種方法，是對(duì)串聯(lián)電池組的內(nèi)短路檢測方法，主要基于一致性差異進(jìn)行診斷。
具體來看，可以建立有內(nèi)短路和沒有內(nèi)短路的等效模型，基于這個(gè)等效模型和平均差異模型進(jìn)行在線參數(shù)估計(jì)，有內(nèi)短路之后電位和等效阻抗發(fā)生了變化，我們對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)，最后可以找出究竟是哪一個(gè)單體出現(xiàn)了問題，通過驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，很明顯的能夠發(fā)現(xiàn)某一個(gè)電池有內(nèi)短路。
但算法只是一個(gè)基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，我們還要結(jié)合大量工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終開發(fā)出了實(shí)用化的檢測算法。當(dāng)然僅僅內(nèi)短路檢測是不夠的，需要對(duì)過充、過放、SOP等進(jìn)行綜合管理，才有可能實(shí)現(xiàn)內(nèi)短路以及熱失控的提前預(yù)警，這就是新一代的電池管理系統(tǒng)，是以安全為核心的全方位狀態(tài)估計(jì)和故障檢測。
三、單體電池?zé)崾Э嘏c熱設(shè)計(jì)
隔膜材料發(fā)生了很多變化，從PE、PP、PE+Ceramic到PET材料，隔膜的耐熱溫度已經(jīng)很高了，可以達(dá)到300℃；與此同時(shí)，正極材料從早期的LFP，到NCM111、NCM523、NCM622，再到現(xiàn)在的NCM811，正極材料的釋氧溫度在逐步降低。
隨著這兩種技術(shù)的變化，熱失控的機(jī)理也在發(fā)生變化。早期電池大多由于隔膜崩潰引發(fā)大規(guī)模內(nèi)短路引發(fā)熱失控，但目前使用的耐高溫隔膜配811正極動(dòng)力電池，其熱失控的機(jī)理已經(jīng)發(fā)生變化，正極材料釋氧變成了引發(fā)熱失控的主因。
